211service.com
Hoe op zonne-energie gebaseerde microgrids stroom kunnen leveren aan miljoenen
Het dorp Tanjung Batu Laut lijkt te groeien uit een mangrovemoeras op een eiland voor de kust van Maleisisch Borneo. De huizen, op palen boven het water gestut, zijn aan elkaar geplaveid van oud triplex, golfstaal en verroest kippengaas. Maar als je landinwaarts loopt, bereik je een open plek bedekt met een reeks van honderd zonnepanelen die bovenop heldere nieuwe metalen frames zijn gemonteerd. Dikke kabels brengen de stroom van de panelen naar een stevig gebouw met nieuwe deuren en ramen. Stap naar binnen en de hoge luchtvochtigheid maakt plaats voor koele, droge lucht. Fluorescerende lampen verlichten een rij stalen kasten met zwaailichten en computerschermen.
Het gebouw is het controlecentrum voor een kleine, twee jaar oude elektriciteitscentrale die elektriciteit levert aan de ongeveer 200 mensen in het dorp. Computers beheren de stroom die afkomstig is van de zonnepanelen en van dieselgeneratoren, slaan een deel ervan op in grote loodzuurbatterijen en sturen de rest om aan de groeiende lokale vraag te voldoen. Voordat de kleine fabriek werd geïnstalleerd, had het dorp geen toegang tot betrouwbare elektriciteit, hoewel een paar gezinnen kleine dieselgeneratoren hadden. Nu hebben alle bewoners 24 uur per dag vrijwel onbeperkte stroom.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van november 2012
- Zie de rest van het probleem
- Abonneren
Veel van de golfplaten daken in het dorp dragen ongerijmd televisie-satellietschotels. Sommige huizen, met doorhangende daken en ruwe gaten in de muren voor ramen, bevatten flatscreen-tv's, plafondventilatoren, stroomverslindende apparaten zoals strijkijzers en rijstkokers, en apparaten die dag en nacht moeten werken, zoals diepvriezers. Op een zaterdagmiddag deze zomer zwierven kinderen rond met koele partjes watermeloen die ze hadden gekocht van Tenggiri Bawal, de eigenaar van een kleine winkel aan een van de meest onstabiele delen van de verhoogde houten loopbruggen die de huizen met elkaar verbinden. Drie dagen eerder had ze een koelkast in ontvangst genomen, waar ze nu watermeloen, frisdrank en andere goederen bewaart. Bawal glimlachte toen de kinderen zich voor haar winkel verzamelden en zei in haar beperkte Engels: De zaken gaan goed.
Microgrids bieden [een nieuwe manier] om energiediensten naar off-grid gemeenschappen te brengen. De vraag is, zal dit gewoon een schattig ontwikkelingsding zijn? Of wordt het onderdeel van de reguliere economie?
Wereldwijd hebben anderhalf miljard mensen geen elektriciteit, de meesten van hen plattelandsbewoners. (In India zitten bijvoorbeeld 268 miljoen mensen zonder elektriciteit op het platteland, maar slechts 21 miljoen in steden.) Het International Energy Agency zegt dat het type elektriciteitscentrale dat in Batu Laut wordt geïnstalleerd, bekend als een hybride microgrid, essentieel zal zijn voor velen van hen aan de macht brengen. Dat komt omdat het aansluiten van een afgelegen gemeenschap op het conventionele elektriciteitsnet, met zijn grote, gecentraliseerde installaties, duur is en meer dan een decennium kan duren. In sommige gevallen zullen geografie en economie nooit toegang tot het net toestaan. Hybride microgrids kunnen betrouwbare elektriciteit leveren door op intelligente wijze stroom uit meerdere lokale bronnen te combineren, en het bouwen ervan is veel goedkoper en sneller dan het uitbreiden van het netwerk naar de gebieden waar de meeste mensen zonder elektriciteit wonen.
Optimal Power Solutions (OPS), het Australische bedrijf dat het microgrid in Batu Laut ontwierp, verdubbelt dit jaar zijn installaties in Zuidoost-Azië en India. En verschillende andere bedrijven, waaronder industriële giganten zoals GE en ABB, ontwikkelen en verkopen vergelijkbare technologie (zie Microgrid houdt de stroom lokaal, goedkoop en betrouwbaar).
De realiteit is echter veel gecompliceerder. Sommige vroege microgrids zijn in de problemen gekomen en de elektriciteit die ze leveren is duurder dan die van de centrale elektriciteitsnetten in de stad - in sommige gevallen bijna 10 keer zo duur. De technologie die betrokken is bij micronetwerken en de systemen die worden gebruikt om ze te bedienen en te onderhouden, zullen aanzienlijk moeten worden verbeterd als ze honderden miljoenen mensen betrouwbare stroom willen leveren.
De voorspelling van het International Energy Agency en andere groepen is dat we over 20 jaar nog steeds anderhalf miljard mensen zonder elektriciteit zullen hebben, zegt Daniel Kammen, een professor in energie aan de University of California, Berkeley, en adviseur voor het Sustainable Energy for All-programma van de Verenigde Naties. Microgrids bieden de mogelijkheid om na te denken over een echt nieuw model voor het brengen van energiediensten naar off-grid gemeenschappen. De vraag is, zal dit gewoon een schattig ontwikkelingsding zijn? Of wordt het onderdeel van de reguliere economie?
In de buurt van het dorp Tanjung Batu Laut voedt een grote rij zonnepanelen (rechts) stroom aan een reeks loodzuurbatterijen (links) in een gebouw. Dieselgeneratoren die op het overdekte dek zitten, completeren de microgrid-krachtcentrale.
Machtshongerig
Het belang van elektriciteit voor economische en sociale ontwikkeling is moeilijk te overschatten. Koelventilatoren maken klaslokalen bevorderlijk voor het leren, en verlichting stelt studenten in staat om 's avonds te lezen en huiswerk te maken. Koelkasten zorgen ervoor dat voedsel en vaccins niet bederven. Een constante toevoer van elektriciteit kan de economische ontwikkeling stimuleren, vaak beginnend met bescheiden voorbeelden van uitgebreide handel zoals de winkel van Bawal. Als mensen geld verdienen aan dergelijke ondernemingen, kunnen ze zich meer elektriciteit veroorloven die ambitieuzere projecten mogelijk maakt, waardoor een cyclus van toenemende welvaart ontstaat; het is een patroon dat economen in land na land hebben gedocumenteerd. Door bedrijven op de langere termijn toegang te geven tot overvloedige, betrouwbare en betaalbare stroom, kunnen ze een robuuste productiesector ontwikkelen met faciliteiten als chipfabrieken en autofabrieken. In de zoektocht om de doelstellingen van de VN op het gebied van duurzame ontwikkeling te bereiken, heeft secretaris-generaal Ban Ki-Moon gezegd, het belangrijkste instrument zal duidelijk energie zijn.
Om die energie te leveren, is een alternatief nodig voor de conventionele nettechnologie: het IEA schat dat meer dan tweederde van de plattelandsbewoners die tegenwoordig geen elektriciteit hebben, stroom nodig zal hebben van een soort gedistribueerde bron, ofwel microgrids of stand-alone elektriciteitssystemen voor individuele huishoudens , omdat ze ver van het elektriciteitsnet verwijderd zijn of in een geografisch onbereikbaar gebied wonen (zie In de derde wereld is zonne-energie goedkoper dan fossiele brandstoffen).
Sommige delen van het binnenland van Maleisië kunnen niet op het elektriciteitsnet worden aangesloten - ze hebben geen wegen. Dus microgrids zijn de enige oplossing, zegt Ramdan Baba, het hoofd van de landelijke elektrificatieprogramma's van Maleisië, sprekend vanaf de 23e verdieping van een torenhoog kantoorgebouw in een uitgestrekt overheidsdistrict in de buurt van Kuala Lumpur. De regering berekende bijvoorbeeld dat het verbinden van een cluster van dorpen op 130 kilometer van de dichtstbijzijnde elektriciteitslijn 250 miljoen Maleisische ringgits zou kosten, of ongeveer $ 80 miljoen. Het is een enorm bedrag om 10 dorpen met in totaal 800 inwoners te elektrificeren, zegt hij. Een microgrid zou slechts ongeveer 92 miljoen ringgits [$30 miljoen] kosten en een betrouwbare 24-uursvoorziening van elektriciteit opleveren.
Baba zegt dat de regering waarschijnlijk haar doel zal bereiken om tegen het einde van het jaar 95 procent van de bevolking in Maleisisch Borneo van elektriciteit te voorzien (bij de start van het project, twee jaar geleden, had 25 procent van die bevolking geen elektriciteit). Het succes van de technologie tot nu toe heeft de regering ertoe gebracht de lat hoger te leggen. In een poging om stroom naar nog moeilijker bereikbare gebieden te brengen en 99 procent van Maleisisch Borneo te elektrificeren, is het van plan om tegen 2015 de microgrid-installaties uit te breiden.
Nu beginnen de minder welgestelde buur van Maleisië, Indonesië en andere delen van Zuidoost-Azië deze systemen ook te gebruiken. India heeft geëxperimenteerd met microgrids; de regering overweegt hoe de technologie op grotere schaal kan worden gebruikt in landelijke gebieden en om het notoir onbetrouwbare stedelijke netwerk te ondersteunen (zie Hoe stroomuitval in India op een dag kan worden vermeden). In de armste landen, zoals Bangladesh, waar bijna 60 procent van de bevolking geen elektriciteit heeft, zijn regeringen en externe financiers momenteel meer geïnteresseerd in kleinere energiebronnen, zoals lantaarns op zonne-energie en opladers voor mobiele telefoons of kleine zonnepanelen op individuele woningen. Hetzelfde geldt voor Afrikaanse landen als Kenia, waar 84 procent van de bevolking geen stroom heeft. Toch bieden zonnelantaarns niet veel van de voordelen van een lokaal elektriciteitsnetwerk. Microgrids, concludeert het IEA in zijn afgemeten taal, zijn een concurrerende oplossing in landelijke gebieden en kunnen toekomstige groei van de vraag mogelijk maken.
Terwijl microgrids stroom naar afgelegen gebieden brengen, pluggen dorpelingen tv's, stereo's en apparaten zoals koelkasten (linksboven) in en begint een eigenaar van een supermarkt ijslolly's te verkopen (onder). Een zagerij draait op één microgrid (rechtsboven).
Als de ervaring in Maleisië echter een indicatie is, zou de uitrol van de systemen traag en inefficiënt kunnen zijn, deels omdat overheden en nutsbedrijven wantrouwend kunnen zijn voor nieuwe technologie. In Batu Laut eiste de regering dat OPS 600 kilowatt stand-by dieselopwekkingscapaciteit installeerde, ook al was het microgrid ontworpen voor een piekbelasting van slechts 200 kilowatt, omdat ambtenaren niet zeker wisten of het zou werken zoals geadverteerd. Het verhaal kan in India vergelijkbaar blijken te zijn. Het is nog een nieuw concept, zegt Himanshu Gupta, adviseur van de planningscommissie van de overheid in India. De bureaucraten weten niets van microgrids.
Beschimmelde zonnepanelen
Gelegen in een afgelegen deel van het noordoosten van Borneo, niet ver van een diep, door kliffen verduisterd bassin dat pas in de jaren vijftig door buitenstaanders werd ontdekt, had het dorp Kalabakan tot een paar jaar geleden geen behoorlijke verharde weg, en bewoners moesten het doen met een paar uur elektriciteit 's nachts. Drie jaar geleden financierde de Maleisische regering daar een microgrid, en de vraag naar stroom schoot omhoog; nieuwe klanten zijn onder meer een paar zagerijen die de lokale houtkapindustrie bedienen. In tegenstelling tot zijn iets nieuwere tegenhanger in Batu Laut, keert het microgrid in Kalabakan echter al terug naar de jungle.
Deze plek valt uit elkaar, zegt Ritesh Lutchman, senior manager bij OPS, terwijl hij het terrein van de microgrid-energiecentrale op rijdt. De asfaltweg, hoewel hij nog maar een paar jaar oud is, is diep gekerfd en knikt, een slachtoffer van de zachte grond van Maleisië en zware regenval. De zonnepanelen zijn bedekt met een dunne laag schimmel, waardoor het vermogen afneemt. Tropische groei is bijna net zo hoog als één zonnepaneel; op één plek begint het de zon te blokkeren. Een plaatselijke nutswerker die helpt bij het onderhoud van de elektriciteitscentrale kan de sleutel van de controlekamer niet vinden en moet met een schroevendraaier het slot openbreken. Binnen is het heet omdat een automatische koelventilator is uitgevallen. Lutchman vermoedt dat de hitte de dure apparatuur zou kunnen beschadigen en de levensduur ervan zou kunnen verkorten.
Erger nog, de helft van het microgrid krijgt niet eens stroom. Omdat de output van zijn dieselgeneratoren niet gesynchroniseerd was, kan er maar één generator tegelijk draaien en kan één niet genoeg elektriciteit leveren om beide distributienetwerken die elektriciteit leveren van stroom te voorzien. Lutchman was niet op de hoogte van het probleem, omdat lokale werknemers dagen eerder de datahub hadden losgekoppeld, de enige communicatieverbinding tussen het microgrid en OPS. De arbeiders gebruikten het om op het web te surfen, iets waar Lutchman pas achter kwam toen OPS een hoge rekening kreeg.
De problemen in Kalabakan weerspiegelen een dieper probleem: er is geen praktisch model voor het onderhouden en exploiteren van een microgrid. De overheid betaalt voor het systeem; bedrijven zoals OPS ontwerpen het, installeren het en houden het werkend gedurende een garantieperiode van twee jaar; en dan, in het geval van Maleisië, dragen ze de controle over aan het lokale nutsbedrijf, wat gebeurde in Kalabakan. Hoewel OPS de geïnstalleerde microgrids nog steeds controleert, wordt het na de eerste twee jaar niet meer betaald om ze te onderhouden.
In tegenstelling tot zijn iets nieuwere tegenhanger in Batu Laut, keert het microgrid in Kalabakan al terug naar de jungle. Tropische groei is bijna net zo hoog als één zonnepaneel; op één plek begint het de zon te blokkeren.
De hulpprogramma's zijn niet ingesteld voor microgrids, zegt Lutchman: Soms roept het hulpprogramma iemand in die generatoren begrijpt, maar hij begrijpt niet hoe ze verbinding maken met de rest van het systeem. De huidige gedeeltelijke stroomstoring gebeurde nadat een dieselgenerator offline was gehaald voor een regelmatig geplande revisie. Toen het opnieuw werd aangesloten, was de uitgangsspanning niet aangepast om binnen de specificaties van het automatische controlesysteem van de microgrid te vallen. Dat oplossen is een simpele aanpassing, zegt Lutchman, maar een die de plaatselijke nutsbedrijven niet wisten te maken. De nutsbedrijven hebben niet eens om de microgrids gevraagd, zegt hij. Ze kregen ze gewoon, zonder de training die ze nodig hadden om ze te onderhouden.
In Borneo, te midden van uitgestrekte palmolieplantages, komt het elektriciteitsnet plotseling tot stilstand. De overheid breidt het net uit waar het economisch zinvol is.
De Wereldbank heeft onlangs een rapport uitgebracht waarin wordt gewaarschuwd voor enkele van de uitdagingen. Pepukaye Bardouille, een senior operations officer bij de International Finance Corporation van het bureau, zegt dat haar groep enthousiast is over microgrids, maar ze proberen een dosis realisme te injecteren. Bardouille legt uit: Wat meestal gebeurt, is dat een paar voorbeelden worden aangeprezen als een oplossing op basis van technologie of alleen kosten. Maar manieren om de technologie te leveren en te onderhouden, zijn eigenlijk zozeer een onderdeel van de oplossing dat als die dingen niet worden aangepakt, het gewoon niet duurzaam is.
Ramdan Baba zegt dat zijn regering werkt aan een nieuwe manier om micronetwerken te financieren en te onderhouden. Het bedrijf dat de technologie ontwerpt en installeert, krijgt een licentie om het te gebruiken en krijgt een gegarandeerde prijs voor de stroom die het produceert; het maakt alleen winst als het de kosten onder controle kan houden en het net voor de duur van het contract stroom kan laten produceren.
Deze zomer waren de ingenieurs en managers van OPS in het Maleisische hoofdkantoor van OPS in Kuala Lumpur bezig met telefoontjes, vergaderingen met overheidsfunctionarissen en last-minute berekeningen. Het belangrijkste probleem was het schatten van de kosten per kilowattuur van de elektriciteit die het micronetwerk produceerde, wat de sleutel zou zijn om de prijs vast te stellen die OPS en andere bedrijven zouden krijgen. Te hoog en OPS zou een meevaller oogsten ten koste van de Maleisische overheid; te laag en het bedrijf zou vast komen te zitten met het in stand houden van een verliesgevende operatie.
Batterijproblemen
Microgrids hebben te maken met een ander dreigend probleem, dit technische. Zonnepanelen en dieselgeneratoren kunnen tientallen jaren mee, maar de batterijen die ze mogelijk maken gaan veel sneller kapot. Met een microgrid heb je doorgaans een energieopslagsysteem nodig dat je met de huidige technologie elke drie, vijf of zeven jaar moet vervangen. Dat zijn enorme kapitaalkosten, zegt Katherine Steel, een door het MIT opgeleide ingenieur die aan het hoofd staat van het Lighting Africa-programma van de Wereldbank. Als vervangende batterijen niet binnen het budget vallen, wordt de effectieve levensduur van het microgrid beperkt tot slechts enkele jaren.
Volgens OPS houden loodzuurbatterijen de prijs van microgrids relatief hoog, niet alleen omdat ze vaak moeten worden vervangen, maar ook omdat ze zo duur zijn dat microgrid-ontwerpers zwaar leunen op dieselopwekking om de hele nacht elektriciteit te leveren. Het is goedkoper om dieselgeneratoren te laten draaien dan voldoende zonnepanelen en batterijen toe te voegen om de klok rond van stroom te voorzien. Om dit probleem op te lossen, test OPS nu een batterij van Aquion, een spin-out van Carnegie Mellon University in Pittsburgh; het zou de behoefte aan diesel in microgrids bijna elimineren, de emissies verlagen en de bedrijfskosten aanzienlijk verlagen.
Microgrids gebruiken nog steeds een behoorlijke hoeveelheid diesel, zegt Jay Whitacre, een Carnegie Mellon-professor die de technologie van Aquion heeft uitgevonden. De volgende stap is om naar een situatie te gaan waarin ze een dieselgenerator hebben, maar ze bijna nooit aanstaan. Onze batterij zou dat kunnen toestaan. De Aquion-batterijen werken net als de relatief langlevende lithium-ionbatterijen die worden gebruikt in elektrische auto's, die veel duurder zijn dan loodzuurbatterijen. Maar de technologie van het bedrijf maakt gebruik van veel goedkopere materialen en is gemakkelijker te produceren, waardoor de kosten concurrerend blijven met de minder duurzame batterijen die nu veel worden gebruikt in microgrids (zie Goedkope batterijen bouwen om het netwerk te omzeilen). Onze batterij zal vooraf ongeveer evenveel kosten als een hoogwaardige loodzuurbatterij, zegt hij. Maar die loodzuurbatterij moet koeler worden gehouden en moet na een paar duizend cycli worden vervangen. De onze gaat veel meer dan dat - twee of drie keer zo lang.
De besparingen door het verminderen van het dieselverbruik kunnen aanzienlijk zijn. Het microgrid in Batu Laut is ontworpen om veel van zijn stroom uit diesel te halen, maar een systeem dat is ontworpen rond goedkopere batterijen heeft mogelijk alleen generatoren nodig voor noodgevallen en lange perioden van slecht weer. Door de batterijkosten en het dieselverbruik te verlagen, zouden de kosten per kilowattuur kunnen dalen van een dollar tot slechts 40 cent.
Maar zelfs dat is hoger dan de prijs van elektriciteit van het net. De Maleisische regering subsidieert microgrid-elektriciteit zodat dorpelingen iets betalen dat vergelijkbaar is met stadstarieven, maar ze kan dat niet eeuwig blijven doen, deels omdat met elke extra kilowattuur die dorpelingen verbruiken, de kosten van de subsidies stijgen. In armere landen zoals India kunnen de hoge kosten van microgrid-energie een nog groter obstakel vormen voor wijdverbreide invoering.
Om microgrids net als mobiele telefoons een sprong voorwaarts te laten zijn, zouden ze tegen lagere kosten gelijkwaardige of superieure service aan het netwerk moeten bieden, zegt Steel. Maar ik denk dat dat een transitie is die nog moet plaatsvinden, en ik zou niet zeggen dat die meteen om de hoek ligt.
Een waarschijnlijker scenario is dat microgrids en het conventionele grid elkaar zullen aanvullen. Naarmate het conventionele netwerk zich uitbreidt vanuit steden en doordat verbeterde wegen gemeenschappen minder afgelegen maken, zal het uitbreiden van het netwerk naar hen economisch logischer zijn. Waar microgrids bestaan, zullen er uiteindelijk veel worden opgenomen in het grotere elektriciteitsnet. In tijden van piekvraag kunnen nutsbedrijven een beroep doen op elektriciteit die is opgeslagen in de batterijen van microgrids of hun dieselgeneratoren gebruiken om meer vermogen te leveren. Als dit gebeurt, zullen hybride microgrids het bestaande netwerk veel veerkrachtiger maken. Naarmate de batterijkosten dalen, worden microgrids een steeds aantrekkelijker optie in steden waar conventionele elektriciteitsnet onbetrouwbaar is; ze kunnen ervoor zorgen dat fabrieken en andere gebruikers een betrouwbare elektriciteitsbron hebben.
Dit soort grote infrastructuurveranderingen zal jaren duren en aanzienlijke investeringen vergen. Ondertussen zijn microgrids echter al begonnen een verschil te maken in sommige levens. Terug in Batu Laut blijft het systeem rustig neuriën en krijgen dorpelingen nieuwe ideeën over hoe ze de elektriciteit kunnen gebruiken. Een vrouw heeft een borduurmachine aangeschaft en hoopt op maat gemaakte uniformen te kunnen verkopen. Het hoofd van de ontwikkelingscommissie van het dorp lobbyt voor een overheidssubsidie om een voedselverwerkende fabriek te bouwen die op stroom van het micronetwerk zou draaien. En nu het dorp betrouwbare elektriciteit heeft, verhuizen de leraren van de plaatselijke school uit de stad op het vasteland om op het eiland te gaan wonen.
Kevin Bullis is MIT Technology Review's senior redacteur voor energie.