Hvordan solbaserede mikronet kan bringe strøm til millioner

Landsbyen Tanjung Batu Laut ser ud til at vokse ud af en mangrovesump på en ø ud for kysten af ​​malaysisk Borneo. Husene, støttet op over vandet på pæle, er brostensbelagte sammen af ​​gammel krydsfiner, bølget stål og rustent hønsenet. Men gå ind i landet, og du når en lysning dækket af en række af hundrede solpaneler monteret oven på lyse nye metalrammer. Tykke kabler overfører strøm fra panelerne til en robust bygning med nye døre og vinduer. Træd indenfor, og den store luftfugtighed giver plads til kølig, tør luft. Fluorescerende lys oplyser en række stålskabe med blinkende lys og computerskærme.

Bygningen er kontrolcenter for et lille, to år gammelt elproduktionsanlæg, der leverer elektricitet til de omkring 200 mennesker i landsbyen. Computere håndterer strøm fra solpanelerne og fra dieselgeneratorer, lagrer noget af det i store bly-syre-batterier og sender resten for at imødekomme den voksende lokale efterspørgsel. Før det lille anlæg blev installeret, havde landsbyen ingen adgang til pålidelig elektricitet, selvom nogle få familier havde små dieselgeneratorer. Nu har alle beboerne stort set ubegrænset strøm 24 timer i døgnet.

Denne historie var en del af vores november 2012-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Mange af de bølgede ståltage i landsbyen bærer usammenhængende tv-parabolantenner. Nogle hjem, med hængende tage og grove huller i væggene til vinduer, indeholder fladskærms-tv, loftsventilatorer, strømkrævende apparater som strygejern og riskogere og enheder, der skal køre dag og nat, som frysere. En lørdag eftermiddag denne sommer strejfede børn rundt med kølige kiler af vandmelon, de havde købt af Tenggiri Bawal, ejeren af ​​en lille butik beliggende ved en af ​​de mest ustabile dele af de høje trægange, der forbinder husene. Tre dage før havde hun modtaget et køleskab, hvor hun nu opbevarer vandmelon, sodavand og andre varer. Bawal smilede, da børnene samlet sig uden for hendes butik og sagde på sit begrænsede engelsk: Business is good.

Mikronet giver [en ny måde] at bringe energitjenester til off-grid samfund. Spørgsmålet er, vil dette bare være en sød udviklingsting? Eller bliver det en del af den almindelige økonomi?

På verdensplan mangler halvanden milliard mennesker elektricitet, de fleste af dem, der bor på landet. (I Indien, for eksempel, er 268 millioner mennesker uden elektricitet i landdistrikterne, men kun 21 millioner i byerne.) Det Internationale Energiagentur siger, at den type kraftværk, der er installeret ved Batu Laut, kendt som et hybridt mikronet, vil være afgørende for bringer magt til mange af dem. Det skyldes, at det er dyrt at forbinde et fjerntliggende samfund til det konventionelle elnet med dets store, centraliserede anlæg og kan tage mere end et årti. I nogle tilfælde tillader geografi og økonomi måske aldrig adgang til nettet. Hybride mikronet kan levere pålidelig elektricitet ved intelligent at kombinere strøm fra flere lokale kilder, og at bygge dem er langt billigere og hurtigere end at udvide nettet til de områder, hvor de fleste mennesker uden elektricitet bor.

Optimal Power Solutions (OPS), det australske firma, der har designet mikronettet i Batu Laut, fordobler sine installationer i år i hele Sydøstasien og Indien. Og flere andre virksomheder, herunder industrigiganter som GE og ABB, udvikler og sælger lignende teknologi (se Microgrid Keeps the Power Local, Cheap and Reliable).

Virkeligheden er dog langt mere kompliceret. Nogle tidlige mikronet er løbet ind i problemer, og den elektricitet, de leverer, er dyrere end den fra centrale elnet i byen - i nogle tilfælde næsten 10 gange så dyr. Teknologien, der er involveret i mikronet, og de systemer, der bruges til at drive og vedligeholde dem, skal forbedres betydeligt, hvis de skal bringe pålidelig strøm til hundredvis af millioner af mennesker.

Prognosen fra Det Internationale Energiagentur og andre grupper er, at om 20 år vil vi stadig have halvanden milliard mennesker uden elektricitet, siger Daniel Kammen, professor i energi ved University of California, Berkeley, og rådgiver for FN's program for bæredygtig energi for alle. Microgrids giver mulighed for at tænke på en virkelig ny model for, hvordan man bringer energitjenester til off-grid samfund. Spørgsmålet er, vil dette bare være en sød udviklingsting? Eller bliver det en del af den almindelige økonomi?

I nærheden af ​​landsbyen Tanjung Batu Laut leverer en stor række solpaneler (til højre) strøm til en række bly-syre-batterier (til venstre) inde i en bygning. Dieselgeneratorer, der sidder på det overdækkede dæk, fuldender mikronetkraftværket.

Power Hungry

Det er svært at overvurdere betydningen af ​​elektricitet for økonomisk og social udvikling. Køleventilatorer gør klasseværelserne mere befordrende for læring, og lys gør det muligt for eleverne at læse og lave lektier om natten. Køleskabe forhindrer mad og vacciner i at blive dårlige. En stabil forsyning af elektricitet kan sætte gang i den økonomiske udvikling, ofte begyndende med beskedne eksempler på udvidet handel som Bawals butik. Efterhånden som folk tjener penge på sådanne forehavender, har de råd til mere elektricitet, der gør mere ambitiøse projekter mulige, hvilket skaber en cyklus af stigende velstand; det er et mønster, som økonomer har dokumenteret i land efter land. På længere sigt gør det at give virksomheder adgang til rigelig, pålidelig og overkommelig strøm det muligt at udvikle en robust produktionssektor med faciliteter som chipfabrikker og bilfabrikker. I jagten på at nå FN's mål for bæredygtig udvikling, har generalsekretær Ban Ki-Moon sagt, at det klart vigtigste værktøj vil være energi.

At levere den energi vil kræve et alternativ til den konventionelle netteknologi: IEA vurderer, at mere end to tredjedele af landboerne, der mangler elektricitet i dag, vil have brug for strøm fra en slags distribueret kilde, enten mikronet eller selvstændige strømsystemer til individuelle husholdninger , fordi de er langt væk fra nettet eller bor i et geografisk utilgængeligt område (se I udviklingslandene er solenergi billigere end fossile brændstoffer).

Nogle dele af det indre Malaysia kan ikke forbindes til nettet - de har ikke veje. Så mikronet er den eneste løsning, siger Ramdan Baba, lederen af ​​Malaysias landdistriktselektrificeringsprogrammer, taler fra 23. etage i en tårnhøj kontorbygning i et vidtstrakt regeringsdistrikt nær Kuala Lumpur. Regeringen beregnede for eksempel, at det ville koste 250 millioner malaysiske ringgits at forbinde en klynge landsbyer 130 kilometer fra den nærmeste elledning, eller omkring 80 millioner dollars. Det er en kæmpe sum penge bare at elektrificere 10 landsbyer med i alt 800 indbyggere, siger han. Et mikronet ville kun koste omkring 92 millioner ringgits [30 millioner dollars] og give en pålidelig 24-timers forsyning af elektricitet.

Baba siger, at regeringen sandsynligvis vil nå sit mål om at bringe elektricitet til 95 procent af befolkningen på malaysisk Borneo inden udgangen af ​​året (ved projektets start for to år siden havde 25 procent af befolkningen ingen elektricitet). Teknologiens succes indtil videre har fået regeringen til at gå op. I et forsøg på at bringe strøm til endnu sværere at nå områder og elektrificere 99 procent af malaysiske Borneo, planlægger den at øge mikronetinstallationerne inden 2015.

Nu begynder Malaysias mindre velstillede nabo, Indonesien og andre dele af Sydøstasien også at bruge disse systemer. Indien har eksperimenteret med mikronet; dens regering overvejer, hvordan teknologien kan bruges mere udbredt i landdistrikter og for at understøtte det notorisk upålidelige bynet (se Hvordan strømafbrydelser i Indien kan en dag undgås). I de fattigste lande, som Bangladesh, hvor næsten 60 procent af befolkningen mangler elektricitet, er regeringer og eksterne finansieringskilder i øjeblikket mere interesserede i mindre strømkilder, såsom solcelledrevne lanterner og mobiltelefonopladere eller små solpaneler monteret på de enkelte boliger. Det samme gælder for afrikanske lande som Kenya, hvor 84 procent af befolkningen mangler magt. Alligevel kan sollanterner ikke bringe mange af fordelene ved et lokalt strømnetværk. Microgrids, konkluderer IEA i sit målte sprog, er en konkurrencedygtig løsning i landdistrikter og kan give mulighed for fremtidig efterspørgselsvækst.

Mens mikronet bringer strøm til fjerntliggende områder, tilslutter landsbyboere tv, stereoanlæg og apparater såsom køleskabe (øverst til venstre), og en dagligvarebutiksejer begynder at sælge ispinde (nederst). Et savværk kører på ét mikronet (øverst til højre).

Hvis erfaringerne i Malaysia dog er nogen indikation, kan udrulningen af ​​systemerne være langsom og ineffektiv, til dels fordi regeringer og forsyningsselskaber kan være bange for ny teknologi. I Batu Laut krævede regeringen, at OPS installerede 600 kilowatt standby dieselproduktionskapacitet, selvom mikronettet var designet til en spidsbelastning på kun 200 kilowatt, fordi embedsmænd ikke var sikre på, at det ville fungere som annonceret. Historien kan vise sig at være den samme i Indien. Det er stadig et nyt koncept, siger Himanshu Gupta, konsulent for regeringens planlægningskommission i Indien. Bureaukraterne ved ikke noget om mikronet.

Mugne solpaneler

Beliggende i en afsidesliggende del af det nordøstlige Borneo, ikke langt fra et dybt klippebassin, der ikke blev opdaget af udenforstående før i 1950'erne, havde landsbyen Kalabakan ingen ordentlig asfalteret vej indtil for et par år siden, og beboerne nøjedes med et par timers strøm om natten. For tre år siden finansierede den malaysiske regering et mikronet dér, og efterspørgslen efter strøm steg i vejret; nye kunder omfatter et par savværker, der servicerer den lokale skovningsindustri. I modsætning til sin lidt nyere pendant i Batu Laut er mikronettet i Kalabakan dog allerede ved at vende tilbage til junglen.

Dette sted er ved at falde fra hinanden, siger Ritesh Lutchman, en senior manager hos OPS, mens han kører ind på grunden til mikronetkraftværket. Asfaltvejen, selv om den kun er et par år gammel, er dybt udhulet og bøjet, et offer for Malaysias bløde jord og kraftige regn. Solpanelerne er dækket af et tyndt lag skimmelsvamp, hvilket reducerer strømudgangen. Tropisk vækst er næsten så høj som et solpanel; et sted begynder den at blokere for solen. En lokal forsyningsarbejder, der hjælper med at vedligeholde kraftværket, kan ikke finde nøglen til kontrolrummet og må vælge låsen med en skruetrækker. Indenfor er det varmt, fordi en automatisk køleventilator har svigtet. Lutchman har mistanke om, at varmen kan skade det dyre udstyr og forkorte dets levetid.

Hvad værre er, halvdelen af ​​mikronettet får ikke engang strøm. Fordi outputtet fra dens dieselgeneratorer ikke var synkroniseret, kan kun én generator køre ad gangen, og man kan ikke levere nok elektricitet til at drive begge distributionsnetværk, der leverer elektricitet. Lutchman kendte ikke til problemet, fordi lokale arbejdere dage før havde afbrudt datahubben, der var den eneste kommunikationsforbindelse mellem mikronettet og OPS. Arbejderne brugte det til at surfe på nettet, noget Lutchman først lærte om, da OPS fik en stor regning.

Problemet ved Kalabakan afspejler et dybere problem: Der er ingen praktisk model til at vedligeholde og drive et mikronet. Det offentlige betaler for systemet; virksomheder som OPS designer det, installerer det og holder det i drift i en to-årig garantiperiode; og så, i tilfældet Malaysia, overdrager de kontrollen til den lokale forsyning, hvilket er, hvad der skete i Kalabakan. Mens OPS stadig overvåger de mikronet, det har installeret, er det efter de første to år ikke længere betalt for at vedligeholde dem.

I modsætning til sin lidt nyere pendant i Batu Laut vender mikronettet i Kalabakan allerede tilbage til junglen. Tropisk vækst er næsten så høj som et solpanel; et sted begynder den at blokere for solen.

Værktøjerne er ikke sat op til mikronet, siger Lutchman: Nogle gange vil forsyningen kalde nogen ind, der forstår generatorer, men han forstår ikke, hvordan de forbinder til resten af ​​systemet. Det nuværende delvise strømafbrydelse skete, efter at en dieselgenerator blev taget offline til et regelmæssigt planlagt eftersyn. Da den blev tilsluttet igen, blev dens spændingsudgang ikke justeret til at falde inden for specifikationerne for mikronettets automatiske kontrolsystem. At rette det er en simpel justering, siger Lutchman, men en, som de lokale forsyningsarbejdere ikke vidste at lave. Forsyningerne bad ikke engang om mikronettene, siger han. De fik dem bare uden den træning, de skulle bruge for at vedligeholde dem.

På Borneo, midt i store palmeolieplantager, stopper elnettet pludseligt. Regeringen udvider nettet, hvor end det giver økonomisk mening.

Verdensbanken udsendte for nylig en rapport, der advarer mod nogle af udfordringerne. Pepukaye Bardouille, en senior operations officer hos agenturets International Finance Corporation, siger, at hendes gruppe er begejstret for mikronet, men de forsøger at injicere en dosis realisme. Bardouille forklarer, hvad der plejer at ske, er nogle få eksempler, der udråbes som en løsning på basis af teknologi eller blot omkostninger. Men måder at levere teknologien på og vedligeholde den er faktisk så meget en del af løsningen, at hvis disse ting ikke bliver håndteret, er det bare ikke bæredygtigt.

Ramdan Baba siger, at hans regering arbejder på en ny måde at finansiere og vedligeholde mikronet. Virksomheden, der designer og installerer teknologien, vil få en licens til at drive den og modtage en garanteret pris for den strøm, den producerer; det vil kun give overskud, hvis det kan holde omkostningerne under kontrol og beholde nettet, der producerer strøm i kontraktens varighed.

Denne sommer i OPS’s hovedkvarter i Malaysia i Kuala Lumpur havde virksomhedens ingeniører og ledere travlt med telefonopkald, møder med embedsmænd og sidste øjebliks beregninger. Nøglespørgsmålet var at estimere omkostningerne pr. kilowatt-time for den elektricitet, som mikronettet producerede, hvilket ville være nøglen til at fastlægge den pris, OPS og andre virksomheder ville få betalt. For højt, og OPS ville høste en vindfald på bekostning af den malaysiske regering; for lavt, og virksomheden ville blive hængende med at opretholde en pengetabsdrift.

Batteriproblemer

Microgrids står over for et andet truende problem, dette tekniske. Solpaneler og dieselgeneratorer kan holde i årtier, men de batterier, der gør dem mulige, svigter meget hurtigere. Med et mikronet har du typisk brug for et energilagringssystem, som du med den nuværende teknologi skal udskifte hvert tredje eller femte eller syvende år. Det er en enorm kapitalomkostning, siger Katherine Steel, en MIT-uddannet ingeniør, der leder Verdensbankens Lighting Africa-program. Hvis udskiftningsbatterier ikke er i budgettet, er mikronettets effektive levetid begrænset til kun et par år.

Ifølge OPS holder bly-syrebatterier prisen på mikronet relativt høj, ikke kun fordi de skal udskiftes ofte, men fordi de er så dyre, at mikronetdesignere læner sig meget op af dieselproduktion for at levere elektricitet natten igennem. Det er billigere at køre dieselgeneratorer end at tilføje nok solpaneler og batterier til at levere strøm døgnet rundt. For at overvinde dette problem tester OPS nu et batteri fra Aquion, en spinout fra Carnegie Mellon University i Pittsburgh; det kunne næsten eliminere behovet for diesel i mikronet, sænke emissionerne og reducere driftsomkostningerne betydeligt.

Microgrids bruger stadig en rimelig mængde diesel, siger Jay Whitacre, en Carnegie Mellon-professor, der opfandt Aquions teknologi. Næste skridt er at gå til en situation, hvor de har en dieselgenerator til stede, men de er næsten aldrig tændt. Vores batteri kunne tillade det. Aquion-batterierne fungerer meget som de relativt langlivede lithium-ion-batterier, der bruges i elbiler, og som er meget dyrere end bly-syre-batterier. Men virksomhedens teknologi bruger langt billigere materialer og er lettere at fremstille, hvilket holder omkostningerne konkurrencedygtige med de mindre holdbare batterier, der nu er meget brugt i mikronet (se Bygning af billige batterier for at omgå nettet). Vores batteri vil koste omtrent lige så meget som et blysyrebatteri af høj kvalitet foran, siger han. Men det blysyrebatteri skal holdes køligere, og det skal skiftes ud efter et par tusinde cyklusser. Vores vil gå meget mere end det - to eller tre gange så lang tid.

Besparelserne ved at reducere dieselforbruget kan være betydelige. Mikronettet ved Batu Laut er designet til at få meget af sin strøm fra diesel, men et system designet omkring billigere batterier kan muligvis kun bruge generatorer til nødsituationer og lange strækninger med dårligt vejr. Reduktion af batteriomkostninger og dieselforbrug kan sænke omkostningerne per kilowatt-time fra en dollar til så lidt som 40 cent.

Men selv det er højere end prisen på el fra nettet. Den malaysiske regering subsidierer mikronet-elektricitet, så landsbybeboerne betaler noget, der kan sammenlignes med bypriser, men det kan den ikke blive ved med at gøre for evigt, til dels fordi for hver ekstra kilowatt-time landsbybeboere forbruger, stiger omkostningerne ved subsidierne. I fattigere lande som Indien kan de høje omkostninger ved mikronetstrøm være en endnu større hindring for udbredt udbredelse.

For at mikrogrids skal være en springende teknologi som mobiltelefoner, skal de tilbyde tilsvarende eller overlegen service til nettet til en lavere pris, siger Steel. Men jeg tror, ​​det er en overgang, der stadig skal finde sted, og jeg vil ikke sige, at det er lige om hjørnet.

Et mere sandsynligt scenario er, at mikronet og det konventionelle net vil komplementere hinanden. Efterhånden som det konventionelle net udvides fra byer, og forbedrede veje gør samfund mindre afsidesliggende, vil det give mere økonomisk mening at udvide nettet til dem. Hvor der findes mikronet, vil mange i sidste ende blive absorberet i det større elnet. I perioder med spidsbelastning kan forsyningsselskaberne bruge elektricitet, der er lagret i mikronets batterier eller bruge deres dieselgeneratorer til at give et boost af strøm. Hvis dette sker, vil hybride mikronet gøre det eksisterende net langt mere modstandsdygtigt. Faktisk, efterhånden som batteriomkostningerne falder, er mikronet en stadig mere attraktiv mulighed i byer, hvor konventionel netstrøm er upålidelig; de kunne sikre, at fabrikker og andre brugere har en pålidelig kilde til elektricitet.

Disse typer af store infrastrukturændringer vil tage år og kræve betydelige investeringer. I mellemtiden er mikronet dog allerede begyndt at gøre en forskel for nogle liv. Tilbage ved Batu Laut fortsætter systemet med at nynne stille og roligt, og landsbybeboerne får nye ideer om, hvordan man bruger elektriciteten. En kvinde har anskaffet sig en broderimaskine og håber at kunne sælge skræddersyede uniformer. Lederen af ​​landsbyens udviklingsudvalg lobbyer for et statsligt tilskud til at bygge en fødevareforarbejdningsfabrik, der vil køre på strøm fra mikronettet. Og nu hvor landsbyen har pålidelig elektricitet, flytter lærerne til den lokale skole ud af byen på fastlandet for at bo på øen.

Kevin Bullis er MIT Technology Review seniorredaktør for energi.

skjule