Hur solbaserade mikronät kan ge kraft till miljoner

Byn Tanjung Batu Laut verkar växa fram ur ett mangroveträsk på en ö utanför Malaysiska Borneos kust. Husen, stödda över vattnet på pålar, är kullerstensbelagda av gammal plywood, korrugerat stål och rostigt hönsnät. Men gå in i landet och du når en glänta täckt med en rad hundra solpaneler monterade ovanpå ljusa nya metallramar. Tjocka kablar överför kraft från panelerna till en robust byggnad med nya dörrar och fönster. Gå in och den höga luftfuktigheten ger vika för sval, torr luft. Lysrör lyser upp en rad stålskåp med blinkande lampor och datorskärmar.

Byggnaden är kontrollcentral för en liten, två år gammal kraftgenererande anläggning som tillhandahåller el till de cirka 200 personerna i byn. Datorer hanterar ström från solpanelerna och från dieselgeneratorer, lagrar en del av den i stora blybatterier och skickar resten för att möta den växande lokala efterfrågan. Innan den lilla anläggningen installerades hade byn ingen tillgång till pålitlig elektricitet, även om några familjer hade små dieselgeneratorer. Nu har alla invånare praktiskt taget obegränsad makt 24 timmar om dygnet.

Den här historien var en del av vårt novembernummer 2012

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Många av de korrugerade plåttaken i byn bär inkongruent TV-parabolantenner. Vissa hem, med hängande tak och grova hål i väggarna för fönster, innehåller platt-tv, takfläktar, energikrävande apparater som strykjärn och riskokare, och enheter som måste fungera dag och natt, som frysar. En lördagseftermiddag i somras strövade barn omkring med svala klyftor vattenmelon som de köpt från Tenggiri Bawal, ägaren till en liten butik som ligger utanför en av de mest instabila delarna av de förhöjda trägångarna som länkar samman husen. Tre dagar tidigare hade hon tagit emot ett kylskåp, där hon nu förvarar vattenmelon, läsk och andra varor. Bawal log när barnen samlades utanför hennes butik och sa, på sin begränsade engelska, Business is good.

Mikronät tillhandahåller [ett nytt sätt] att föra energitjänster till samhällen utanför nätet. Frågan är, kommer detta bara att vara en söt utvecklingsgrej? Eller kommer det att bli en del av den vanliga ekonomin?

I världen saknar en och en halv miljard människor elektricitet, de flesta på landsbygden. (I Indien, till exempel, är 268 miljoner människor utan elektricitet på landsbygden, men bara 21 miljoner i städer.) International Energy Agency säger att den typ av kraftverk som installeras vid Batu Laut, känd som ett hybridmikronät, kommer att vara avgörande för att ger makt till många av dem. Det beror på att det är dyrt att ansluta ett avlägset samhälle till det konventionella elnätet med dess stora centraliserade anläggningar och kan ta mer än ett decennium. I vissa fall kan geografi och ekonomi aldrig tillåta tillgång till nätet. Hybridmikronät kan tillhandahålla pålitlig elektricitet genom att intelligent kombinera kraft från flera lokala källor, och att bygga dem är mycket billigare och snabbare än att utöka nätet till de områden där de flesta människor utan elektricitet bor.

Optimal Power Solutions (OPS), det australiensiska företaget som designade mikronätet i Batu Laut, fördubblar sina installationer i år i hela Sydostasien och Indien. Och flera andra företag, inklusive industrijättar som GE och ABB, utvecklar och säljer liknande teknik (se Microgrid Keeps the Power Local, Cheap, and Reliable).

Verkligheten är dock mycket mer komplicerad. Vissa tidiga mikronät har stött på problem, och elen de tillhandahåller är dyrare än den från centrala elnät i staden – i vissa fall nästan 10 gånger så dyr. Tekniken som är involverad i mikronät, och de system som används för att driva och underhålla dem, kommer att behöva förbättras avsevärt om de ska ge tillförlitlig kraft till hundratals miljoner människor.

Prognosen från International Energy Agency och andra grupper är att om 20 år kommer vi fortfarande att ha en och en halv miljard människor utan elektricitet, säger Daniel Kammen, professor i energi vid University of California, Berkeley, och rådgivare för FN:s program för hållbar energi för alla. Microgrids ger en möjlighet att tänka på en riktigt ny modell för hur man kan föra energitjänster till off-grid samhällen. Frågan är, kommer detta bara att vara en söt utvecklingsgrej? Eller kommer det att bli en del av den vanliga ekonomin?

Nära byn Tanjung Batu Laut, matar en stor rad solpaneler (höger) ström till en rad blybatterier (till vänster) inuti en byggnad. Dieselgeneratorer som sitter på det täckta däcket kompletterar mikronätkraftverket.

Makt hungrig

Det är svårt att överskatta elektricitetens betydelse för ekonomisk och social utveckling. Kylfläktar gör klassrummen mer gynnsamma för lärande, och lampor gör att eleverna kan läsa och göra läxor på natten. Kylskåp hindrar mat och vaccin från att bli dåliga. En stadig tillgång på elektricitet kan driva på ekonomisk utveckling, ofta med blygsamma exempel på utökad handel som Bawals butik. När människor tjänar pengar på sådana satsningar har de råd med mer el som gör mer ambitiösa projekt möjliga, vilket skapar en cykel av ökande välstånd; det är ett mönster som ekonomer har dokumenterat i land efter land. På längre sikt gör att ge företag tillgång till riklig, pålitlig och prisvärd kraft det möjligt att utveckla en robust tillverkningssektor med sådana faciliteter som chipfabriker och bilfabriker. I strävan efter att uppnå FN:s mål för hållbar utveckling, har generalsekreterare Ban Ki-Moon sagt att det klart viktigaste verktyget kommer att vara energi.

Att leverera den energin kommer att kräva något alternativ till den konventionella nättekniken: IEA uppskattar att mer än två tredjedelar av landsbygdsbor som saknar elektricitet idag kommer att behöva ström från någon sorts distribuerad källa, antingen mikronät eller fristående kraftsystem för enskilda hushåll , eftersom de är långt borta från nätet eller bor i ett geografiskt otillgängligt område (se I utvecklingsvärlden är solenergi billigare än fossila bränslen).

Vissa delar av Malaysias inre kan inte anslutas till nätet – de har inga vägar. Så mikronät är den enda lösningen, säger Ramdan Baba, chef för Malaysias landsbygdselektrifieringsprogram, som talar från 23:e våningen i en hög kontorsbyggnad i ett vidsträckt regeringsdistrikt nära Kuala Lumpur. Regeringen beräknade till exempel att att ansluta ett kluster av byar 130 kilometer från närmaste kraftledning skulle kosta 250 miljoner malaysiska ringgits, eller cirka 80 miljoner dollar. Det är en enorm summa pengar bara att elektrifiera 10 byar med totalt 800 invånare, säger han. Ett mikronät skulle bara kosta cirka 92 miljoner ringgits [30 miljoner USD] och ge en pålitlig 24-timmarsförsörjning av el.

Baba säger att regeringen sannolikt kommer att nå sitt mål att föra elektricitet till 95 procent av befolkningen på malaysiska Borneo i slutet av året (vid starten av projektet för två år sedan hade 25 procent av den befolkningen ingen elektricitet). Teknikens framgångar hittills har lett till att regeringen har ökat före. I ett försök att få ström till ännu svårare att nå områden och elektrifiera 99 procent av malaysiska Borneo, planerar man att utöka mikronätsinstallationer till 2015.

Nu börjar Malaysias mindre välbeställda granne, Indonesien och andra delar av Sydostasien också använda dessa system. Indien har experimenterat med mikronät; dess regering överväger hur tekniken skulle kunna användas mer allmänt på landsbygden och för att stödja det notoriskt opålitliga stadsnätet (se Hur strömavbrott i Indien en dag kan undvikas). I de fattigaste länderna, som Bangladesh, där nästan 60 procent av befolkningen saknar elektricitet, är regeringar och externa finansiärer för närvarande mer intresserade av mindre energikällor, såsom solcellsdrivna lyktor och mobiltelefonladdare eller små solpaneler monterade. på enskilda bostäder. Detsamma gäller för afrikanska länder som Kenya, där 84 procent av befolkningen saknar makt. Ändå misslyckas sollyktor med att ge många av fördelarna med ett lokalt elnät. Microgrids, konstaterar IEA på sitt uppmätta språk, är en konkurrenskraftig lösning på landsbygden och kan möjliggöra framtida efterfrågetillväxt.

När mikronät ger ström till avlägsna områden kopplar byborna in TV-apparater, stereoapparater och apparater som kylskåp (övre till vänster), och en närbutiksägare börjar sälja isglass (nederst). Ett sågverk går på ett mikronät (övre till höger).

Om erfarenheten i Malaysia är någon indikation kan dock utbyggnaden av systemen vara långsam och ineffektiv, delvis på grund av att regeringar och företag kan vara rädda om ny teknik. I Batu Laut krävde regeringen att OPS skulle installera 600 kilowatts dieselproduktionskapacitet i standbyläge, även om mikronätet var designat för en toppbelastning på bara 200 kilowatt, eftersom tjänstemän inte var säkra på att det skulle fungera som annonserat. Historien kan visa sig vara liknande i Indien. Det är fortfarande ett nytt koncept, säger Himanshu Gupta, konsult till regeringens planeringskommission i Indien. Byråkraterna vet ingenting om mikronät.

Mögliga solpaneler

Byn Kalabakan, som ligger i en avlägsen del av nordöstra Borneo, inte långt från en djup, skymd klippbassäng som inte upptäcktes av utomstående förrän på 1950-talet, hade ingen ordentlig asfalterad väg förrän för några år sedan, och invånarna nöjde sig med ett par timmars el på natten. För tre år sedan finansierade den malaysiska regeringen ett mikronät där, och efterfrågan på ström skjutit i höjden; nya kunder inkluderar ett par sågverk som servar den lokala timmerindustrin. Till skillnad från sin lite nyare motsvarighet i Batu Laut är mikronätet i Kalabakan dock redan på väg tillbaka till djungeln.

Den här platsen håller på att falla isär, säger Ritesh Lutchman, senior manager på OPS, när han kör in på marken för mikronätkraftverket. Asfaltvägen, även om den bara är några år gammal, är djupt skuren och bucklig, ett offer för Malaysias mjuka jord och kraftiga regn. Solpanelerna är täckta med ett tunt lager av mögel, vilket minskar effekten. Den tropiska tillväxten är nästan lika hög som en solpanel; på ett ställe börjar det blockera solen. En lokal arbetare som hjälper till att underhålla kraftverket kan inte hitta nyckeln till kontrollrummet och måste plocka i låset med en skruvmejsel. Inuti är det varmt eftersom en automatisk kylfläkt har gått sönder. Lutchman misstänker att värmen kan skada den dyra utrustningen och förkorta dess livslängd.

Ännu värre, halva mikronätet får inte ens ström. Eftersom produktionen från dess dieselgeneratorer inte var synkroniserad, kan bara en generator köras åt gången, och man kan inte tillhandahålla tillräckligt med el för att driva båda distributionsnäten som levererar el. Lutchman kände inte till problemet eftersom lokala arbetare dagar innan hade kopplat bort datahubben som var den enda kommunikationslänken mellan mikronätet och OPS. Arbetarna använde den för att surfa på webben, något Lutchman fick reda på först när OPS fick en stor räkning.

Problemet vid Kalabakan återspeglar ett djupare problem: det finns ingen praktisk modell på plats för att underhålla och driva ett mikronät. Staten betalar för systemet; företag som OPS designar det, installerar det och låter det fungera under en tvåårig garantiperiod; och sedan, i fallet Malaysia, överlämnar de kontrollen till det lokala företaget, vilket är vad som hände i Kalabakan. Även om OPS fortfarande övervakar mikronäten som den har installerat, betalas det inte längre för att underhålla dem efter de första två åren.

Till skillnad från sin lite nyare motsvarighet i Batu Laut, är mikronätet i Kalabakan redan på väg tillbaka till djungeln. Den tropiska tillväxten är nästan lika hög som en solpanel; på ett ställe börjar det blockera solen.

Verktygen är inte inställda för mikronät, säger Lutchman: Ibland kallar verktyget in någon som förstår generatorer, men han förstår inte hur de ansluter till resten av systemet. Det nuvarande partiella strömavbrottet inträffade efter att en dieselgenerator togs offline för en regelbunden översyn. När den kopplades in igen justerades inte dess spänningsutgång för att falla inom specifikationerna för mikronätets automatiska kontrollsystem. Att fixa det är en enkel justering, säger Lutchman, men en som de lokala kraftarbetarna inte visste att göra. Verktygen bad inte ens om mikronäten, säger han. De fick dem bara, utan den utbildning de skulle behöva för att underhålla dem.

På Borneo, mitt bland stora palmoljeplantager, stannar elnätet plötsligt. Regeringen utökar nätet varhelst det är ekonomiskt vettigt.

Världsbanken gav nyligen ut en rapport som varnar för några av utmaningarna. Pepukaye Bardouille, en senior operations officer vid byråns International Finance Corporation, säger att hennes grupp är exalterade över mikronät, men de försöker injicera en dos av realism. Bardouille förklarar, vad som tenderar att hända är att några exempel framhålls som en lösning på grundval av teknik eller bara kostnad. Men sätt att leverera tekniken och underhålla den är faktiskt så mycket en del av lösningen att om dessa saker inte åtgärdas är det helt enkelt inte hållbart.

Ramdan Baba säger att hans regering arbetar på ett nytt sätt att finansiera och underhålla mikronät. Företaget som designar och installerar tekniken kommer att få en licens att driva den och få ett garanterat pris för den kraft den producerar; det kommer att göra vinst endast om det kan hålla kostnaderna under kontroll och behålla elnätet under kontraktets längd.

I somras vid OPS:s huvudkontor i Malaysia i Kuala Lumpur var företagets ingenjörer och chefer upptagna med telefonsamtal, möten med regeringstjänstemän och sista minuten-beräkningar. Nyckelfrågan var att uppskatta kostnaden per kilowattimme för den el som mikronätet producerade, vilket skulle vara nyckeln till att fastställa det pris som OPS och andra företag skulle få betalt. För högt och OPS skulle skörda ett oväntat fall på den malaysiska regeringens bekostnad; för lågt och företaget skulle ha fastnat för att upprätthålla en penningförlustverksamhet.

Batteriproblem

Microgrids står inför ett annat hotande problem, detta tekniska. Solpaneler och dieselgeneratorer kan hålla i årtionden, men batterierna som gör dem möjliga går sönder mycket snabbare. Med ett mikronät behöver du vanligtvis ett energilagringssystem som du med nuvarande teknik måste byta ut vart tredje eller femte eller sjunde år. Det är en enorm kapitalkostnad, säger Katherine Steel, en MIT-utbildad ingenjör som leder Världsbankens Lighting Africa-program. Om ersättningsbatterier inte finns i budgeten är mikronätets effektiva livslängd begränsad till bara några år.

Enligt OPS håller blybatterier priset på mikronät relativt högt, inte bara för att de behöver bytas ut ofta utan för att de är så dyra att mikronätdesigners lutar sig mycket mot dieselproduktion för att ge elektricitet hela natten. Det är billigare att köra dieselgeneratorer än att lägga till tillräckligt med solpaneler och batterier för att ge ström dygnet runt. För att övervinna detta problem testar OPS nu ett batteri från Aquion, en spinout från Carnegie Mellon University i Pittsburgh; det skulle nästan kunna eliminera behovet av diesel i mikronät, sänka utsläppen och kraftigt minska driftskostnaderna.

Microgrids använder fortfarande en hel del diesel, säger Jay Whitacre, en Carnegie Mellon-professor som uppfann Aquions teknologi. Nästa steg är att gå till en situation där de har en dieselgenerator närvarande, men de slås nästan aldrig på. Vårt batteri kunde tillåta det. Aquion-batterierna fungerar ungefär som de relativt långlivade litiumjonbatterierna som används i elbilar, som är mycket dyrare än blybatterier. Men företagets teknik använder mycket billigare material och är lättare att tillverka, vilket håller kostnaderna konkurrenskraftiga med de mindre hållbara batterierna som nu används i stor utsträckning i mikronät (se Bygga billiga batterier för att kringgå nätet). Vårt batteri kommer att kosta ungefär lika mycket som ett högkvalitativt blybatteri på framsidan, säger han. Men det blysyrabatteriet måste hållas svalare, och det måste bytas ut efter ett par tusen cykler. Vår kommer att gå mycket mer än så - två eller tre gånger så lång.

Besparingarna genom att minska dieselförbrukningen kan bli betydande. Mikronätet på Batu Laut är utformat för att få mycket av sin kraft från diesel, men ett system som är designat kring billigare batterier kan behöva generatorer endast för nödsituationer och långa sträckor av dåligt väder. Att minska batterikostnaderna och dieselförbrukningen kan sänka kostnaden per kilowattimme från en dollar till så lite som 40 cent.

Men även det är högre än priset på el från nätet. Den malaysiska regeringen subventionerar mikronätselektricitet så att byborna betalar något som kan jämföras med stadspriser, men den kan inte fortsätta göra det för evigt, delvis på grund av att för varje extra kilowattimme byinvånare konsumerar ökar kostnaderna för subventionerna. I fattigare länder som Indien kan de höga kostnaderna för mikronätkraft vara ett ännu större hinder för en omfattande utbyggnad.

För att mikronät ska vara en språngteknologi som mobiltelefoner måste de erbjuda motsvarande eller överlägsen service till nätet till en lägre kostnad, säger Steel. Men jag tror att det är en övergång som fortfarande måste ske, och jag skulle inte säga att det är omedelbart runt hörnet.

Ett mer troligt scenario är att mikronät och det konventionella nätet kommer att komplettera varandra. När det konventionella nätet expanderar från städer och eftersom förbättrade vägar gör samhällen mindre avlägset, blir det mer ekonomiskt meningsfullt att utöka nätet till dem. Där mikronät finns kommer många så småningom att absorberas i det större elnätet. Vid tider med hög efterfrågan kan företag använda elektricitet som lagras i mikronäts batterier eller använda sina dieselgeneratorer för att ge en kraftuppgång. Om detta händer kommer hybridmikronät att göra det befintliga nätet mycket mer motståndskraftigt. I och med att batterikostnaderna minskar, är mikronät ett alltmer attraktivt alternativ i städer där konventionell elkraft är opålitlig; de skulle kunna säkerställa att fabriker och andra användare har en pålitlig elkälla.

Dessa typer av stora infrastrukturförändringar kommer att ta år och kräva betydande investeringar. Samtidigt har mikronät redan börjat göra skillnad för vissa liv. Tillbaka i Batu Laut fortsätter systemet att nynna tyst och byborna får nya idéer om hur man använder elen. En kvinna har skaffat sig en broderimaskin och hoppas kunna sälja skräddarsydda uniformer. Chefen för byns utvecklingskommitté lobbar för ett statligt bidrag för att bygga en livsmedelsfabrik som skulle drivas med el från mikronätet. Och nu när byn har pålitlig el, flyttar lärarna för den lokala skolan ut från staden på fastlandet för att bo på ön.

Kevin Bullis är MIT Technology Review seniorredaktör för energi.

Dölj