TET4850 Eksperter i Team - Smart Grids Microgrid for en landsby i

TET4850 Eksperter i Team - Smart GridsMicrogrid for en landsby i Afrika

Teknisk rapport

Gruppe 3

Øyvind FrankMartin Steen-Nilsen Dynge

Tobias UnnelandLars Nygaard

Patrick Robertson

1. mai 2013

NTNU

ii

Sammendrag

Nærmere 600 millioner mennesker i Afrika er uten tilgang til elektrisitet. Be-hovet for energi og elektrisitet øker i takt med befolkningsveksten, og mangeområder i Afrika mangler den nødvendige infrastrukturen for å imøtekom-me dette behovet. Denne prosjektrapporten tar for seg ulike teknologiske,sosiale og økonomiske utfordringer i forbindelse med elektrifisering av ru-rale landsbyer ved hjelp av lokale mikrogrids.

De sosiale og økonomiske utfordringene knyttet til elektrifisering av ruralelandsbyer dreier seg blant annet om landsbybeboernes forståelse av anleg-get, ulike betalingsløsninger, finansiering av utbygging og vedlikehold avanleggene. Ulike testanlegg og pilotprosjekter som allerede er gjennomførtviser at de sosiale og økonomiske utfordringene gjerne er en del større ennde teknologiske.

Ved å innføre elektrisitet i form av lokale mikrogrids i hver landsby, kan detføre til at behovet for energi blir dekket på en bærekraftig måte. Dette gjel-der spesielt dersom det velges fornybare energikilder. Hvilken energikildesom er best å benytte er avhengig av beliggenheten til landsbyen. En av deteknologiene med størst potensiale er solenergi. En mikrogrid med solenergisom primær kraftkilde er relativt enkel å designe, installere og vedlikeholde.For å øke forsyningssikkerheten vil det i en slik mikrogrid være behov forenergilagring. Til dette er batteribanker en god og utprøvd løsning. Dersomdet er behov for kontinuerlig drift kan brenselcelle benyttes som reserve-kraft.

Innhold iv

InnholdSammendrag ii

1 Innledning 1

2 Levesituasjon i Afrika sør for Sahara 22.1 Behov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2 Eksempel forbruk Nicaragua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

3 Sosiale og økonomiske utfordringer 43.1 Sosiale utfordringer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.2 Økonomiske utfordringer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

4 Energikilder 84.1 Fornybare energikilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84.2 Ikke-fornybare energikilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

5 Energilagring 125.1 Batterier som energilager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125.2 Mekanisk energilagring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

6 Styring og regulering 146.1 Utfordringer knyttet til kontroll av mikrogrids . . . . . . . . . . . 146.2 Topologi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156.3 Eksempel på kontrollsystem og eksisterende hardwareløsninger

for mikrogrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

7 Diskusjon 197.1 Teknisk løsning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197.2 Eksempel på mulig topologi for en mikrogrid . . . . . . . . . . . 22

8 Konklusjon 24

9 Videre arbeid 25

Referanser 26

A Prosjektbeskrivelse 29

B Målinger Nicaragua 31

1 Innledning 1

1 InnledningDenne rapporten viser mulighetene for innføring av en mikrogrid for en landsbyi et ruralt område, mer spesifikt i Afrika sør for Sahara. Ulike løsninger vil blibelyst, og det vil bli vurdert hvilken som egner seg best for det gitte behovet. Deøkonomiske og sosiale utfordringene ved innføringen av en mikrogrid vil også blidiskutert.

Behovet for energi i utviklingsland øker i takt med befolkningsveksten og ønsketom en høyere levestandard. Et av FNs tusenårsmål omhandler å bedre levevilkå-rene til mennesker i utviklingsland på en bærekraftig og miljøvennlig måte. Detgjenstår å se hvordan elektrifisering av utviklingsland vil foregå for å imøtekom-me dette økende behovet. Det er rimelig å påstå at befolkningen i utvilklingslandbør få dekket sitt energibehov ved hjelp av fornybar energi, med tanke på dagensklimautfordringer samt praktiske behov som transport av drivstoff til avsideslig-gende områder.

En mulighet er en lokal utbygging av mikrogrids, som på sikt kan sammenkoblesfor å utforme et nasjonalt kraftnett med smartgrid-løsninger. En slik utvikling vilvære interessant siden den av natur blir desentralisert, i motsetning til det klassiskesentraliserte kraftnettet som finnes i industrialiserte land. Håpet er at en desentra-lisert utbygging av mikrogids vil gi en raskere elektrifisering enn ved utbyggingav tradisjonelle nett. Da elektrifisering kan antas å øke levestandaren betrakteliger det ønskelig å gjøre utbyggingen så effektiv som mulig. Utbygging av lokalemikrogrids har flere fordeler. Det ene er at integrering av fornybare energikildersom vindkraft, solkraft og vannkraft er forholdsvis enkelt. En mikrogrid er ogsåskalerbar, og er dermed enkel å dimensjonere til hver enkelt landsby samt utvidedersom det er behov for det.

Denne rapporten er delt inn i ni kapitler. Kapittel 2 og 3 dreier seg om dagenssituasjon, levesitusjon og behov, og sosiale og økonomiske utfordringer. Kapittel4 og 5 beskriver henholdsvis mulige energikilder og -lagring. Ulike strategier forstyring og regulering beskrives i kapittel 6. Til slutt kommer diskusjon (kapittel7), konklusjon (kapittel 8) og forslag til videre arbeid (kapittel 9).

2 Levesituasjon i Afrika sør for Sahara 2

2 Levesituasjon i Afrika sør for SaharaAfrika sør for Sahara er den minst urbaniserte delen av verden, der hele 60 % avbefolkningen lever utenfor byene. The United Nations Human Settlements Pro-gramme (UNHABITAT) definerer slum som et urbant område med mangel på sa-nitetsvesen, rent drikkevann, elektrisitet, dårlige hus, overbefolket og helsefarligeboforhold. Det er regnet at ca. 1 milliard mennesker i verden lever i slumomårder,og 2/3 av disse i Afrika sør for Sahara [1].

2.1 BehovAlternativene til belysning uten elektrisitet er mangelfulle. Spesielt for de område-ne nær ekvator hvor solen går ned tidlig er dette et stort problem. Uten tilgang påelektrisitet blir parafinlamper benyttet til belysning [2]. Disse er dyre og gir svakbelysning. Parafin er helsefarlig og vil medføre stor fare for lungekreft etter brukover lengre perioder. I tillegg er parafinlamper i utgangspunktet veldig brannfarli-ge, og spesielt i utviklingsland hvor lampene ofte er selvlagde og parafinen uren.

Figur 1: Skoleelev med parafinlampe [4].

Uten elektrisitet blir skolene begren-set til å legge timeplanen til når det erdagslys. Kvaliteten på undervisningenkan bedres gjennom tilgang på pcer,internett og printere. Spesielt tilgangpå pcer og internett vil gi lærere og ele-ver tilgang på sterke læringsverktøy.Det er et stort problem med høyt syke-fravær hos lærere, og fjernhjelp via in-ternett vil kunne brukes til å løse detteproblemet.

Antallet brukere av mobiltelefon harhatt en voldsom vekst i Afrika, og hari dag blitt en nødvendighet for mange. Ikke bare for privat bruk, men også i for-bindelse med skole og arbeid. Innen helsevesenet vil mobiltelefonen gi tilgang tilmedisinsk kompetanse som kan redde liv. Det har også vært stor satsing på utvik-ling av læringsprogrammer til telefoner for å bedre skoleundervisningen. Bøndervil også ha nytte av tilgang på værmeldingen og prisene i markedet. Skal en mo-biltelefon være tilgjengelig for enhver familie og arbeidsplass, er det ikke aktueltå reise ut av landsbyen for å lade telefonen [3].

En sykestue eller en klinikk vil også kunne dra nytte av elektrisitet. Et av de størsteproblemene for helsevesenet i rurale landsbyer er tilgangen på rent vann og steri-

2 Levesituasjon i Afrika sør for Sahara 3

lisert utstyr. Dette er en nødvendighet for å senke dødstallene ved fødsler og andreinngrep. Elektrisitet vil også gi tilgang på kjølerom til oppbevaring av vaksiner ogblod.

Urent vann er en av de største kildene til sykdom i Afrika sør for Sahara. Vann frabrønner gir tilgang til renere vann enn det man finner på bakkenivå. Ved å brukeelektriske pumper vil det tunge arbeidet fra mekaniske pumper bli spart samtidigsom brønnene kan graves dypere for å nå bedre vannkilder. Automatiseringen aven elektrisk pumpe bidrar også til mindre forurensning i vannet som følger avkontakt med mennesker.

2.2 Eksempel forbruk Nicaragua

Tabell 1: Viser elektrisitetsforbruket i kW for en landsby i Nicaragua målt avmasterstudent Linn Solheim hos Ingeniører uten grenser (IUG).

Bygning Maksforbruk(kW)

Forbruki snitt(kW)

Timer ibruk hverdag

Innhold i byg-ningen

Bolig 0.37 0.2 14 Lys, telefonla-der, radio

Vannrensing 0.13 0.106 8 Vannfilter, lysSkolebygning1

0.54 0.226 20 PCer, vifter,lys, telefonla-der

Skolebygning2

0.53 0.4 24 Prosjektor,kjøleskap

Boligene i landsbyen i Nicaragua har et strømforbruk knyttet til lamper, mobiltele-fonlader og radio. De to skolebyggene har tilsammen kontorer for lærere, datarom,bibliotek, soveplasser for gjester, kjøkken og møterom med prosjektor. I tillegghar landsbyen et bygg til vannrensing. Dataene i tabell 1 kan være en indikator forhvilket forbruk en mikrogrid må dekke i en rural landsby i Afrika sør for Sahara.Dataene er benyttet da gruppen mangler data for en spesifikk landsby i Afrika.Grunnlaget for tabellen er vist i vedlegg B.

3 Sosiale og økonomiske utfordringer 4

3 Sosiale og økonomiske utfordringer

3.1 Sosiale utfordringerInnføringen av elektrisitet i landsbyen vil skape en del utfordringer og nye ele-menter for de menneskene som bor der. Det første som bør gjøres er å undersøkeom befolkningen vil ha denne nye teknologien i sine liv. Hvis dette ikke er ønsketav befolkningen kan det bli veldig vanskelig og lykkes med prosjektet. Da burdeman forklare hvordan livet vil forandres ved innføringen av elektristet. Kvinnenevil f.eks ikke trenge å bære vann over lange avstander hvis det innføres vannpum-per i landsbyen. Dette sparer kvinnene for både fysisk arbeid og tid, og fører tilat de kan bruke mer tid på skolen [5]. Et annet eksempel er fra vår samtale medBjørn Thorud i Multiconsult. Han fortalte om et prosjekt i Afrika der det had-de blitt stjålet et solcellepanel, og det viste seg senere at dette ble benyttet somstuebord i en privat bolig. Denne episoden viser at det tekniske kunnskapsnivåeti rurale områder kan være lavt, og at det er viktig å forklare hvorfor dette utstyretskal innføres der de bor og hva det skal brukes til.

Det er viktig å involvere og høre på befolkningens meninger når det gjelder viktigespørsmål knyttet til utbyggingen. De besitter god kunnskap om området, og haregne meninger som bør tas hensyn til. Det er vesentlig at de som er ansvarligefor prosjektet reiser til området der de samtaler og intervjuer de lokale. Det er itillegg viktig å følge opp kontakten med disse både underveis og etter fullføringenav prosjektet. Dersom de føler at de blir hørt vil det gi en personlig tilknytning tilprosjektet, og bidra til at det blir vellykket [6].

Et annet tiltak er å gi innbyggerne en jobb i tilknytning til prosjektet. Et eksempelpå dette er en rapport utarbeidet av Kirsten Ulsrud [6]. Prosjektet består i å innføresolkraft i en landsby i Kenya. De ansvarlige for prosjektet gir et utvalg av de sombor i landsbyen kurs i diverse emner, for at de skal kunne få en jobb tilknyttet tilprosjektet. Dette er viktig for å gi befolkningen eierskap i prosjektet. Det er ogsåhelt essensielt med tanke på drifting og reparasjon. Lokale operatører står for dendaglige driften, og er nødvendig for at anlegget skal fungere over lengre tid. De måta alle kritiske avgjørelser hvis noe ikke fungerer som det skal. Batteribanken erspesielt utsatt hvis det foretas feil valg fordi det er den mest sårbare komponenteni systemet [5].

Den sosiale strukturen i området der mikrogriden skal bygges vil påvirke hvordannettet blir brukt. På Zanzibar er det vanlig at mannen eier huset, og han betalerderfor for strømmen. Husholdningen har ofte ikke felles økonomi, og pengenemannen tjener kan han bruke på det han selv velger. Selv en del år etter at lands-byen i Zanzibar hadde fått strømtilknytning, var det få som hadde elkomfyr. Enforklaring på dette kan være at mannen ikke hadde behov for elkomfyr når kvinner


og barn kan finne “gratis” ved i skogen. Matlaging med elkomfyr fører imidlertidtil en stor forbedring av levekårene til kvinner. Vedsanking tar opp veldig myetid, og som kunne bli benyttet til utdanning eller jobb. Samtidig fører røyk fravedfyringen til alvorlige luftveissykdommer hos kvinner og barn.

3.2 Økonomiske utfordringer3.2.1 Økonomisk bærekraftighet og investering

For at en storskala utrulling av mikrogrids for landsbyer skal kunne gjennomføresmå det gjøres på en økonomisk lønnsom måte. Områder uten tilgang på elektrisi-tet, spesielt i form av et strømnett, vil dreie seg om fattige landsbyer. Det å skaffekapital til både utbygging og drift vil derfor være et problem og en mulig hindringfor en slik utrulling.

For at et slikt prosjekt skal bli en suksess, er det viktig å undersøke om det erbærekraftig. E. Ilskog og B. Kjellström har sett på ulike prosjekter i Tanzania ogvurdert bærekraftigheten deres [7]. De identifiserte fem områder som må værebærekraftige: teknologisk, økonomisk, sosialt økonomisk, miljømessig og institu-sjonelt.

Teknologisk bærekraftighet er viktig for å opprettholde energiforsyningen i heleden økonomiske levetiden til investeringen. Økonomisk bærekraftighet er viktigfor å sørge for og kunne tilby energiforsyning etter at den initielle finansieringentar slutt. Sosial og etisk bærekraftighet sørger for en rettferdig fordeling av godeneelektrifisering gir. Miljømessig bærekraftighet fokuserer på bevaring av naturligeressurser, unngå ødeleggelse av miljøet og hindrer innendørs luftforurensing. In-stitusjonell bærekraftighet dreier seg om å sørge for at organisasjonen klarer ålevere tilfredsstillende resultater på sikt.

Ved å bruke disse målene på bærekraftighet ble det sett på ulike organisasjons-strukturers mulighet for å overleve. De ulike formene for organisasjonsstrukturfor et strømforsyningsselskap som E. Ilskog og B. Kjellström så på var store stat-lige nettselskaper, små statlige nettselskaper, lokalsamfunnsbaserte selskaper ogprivate selskaper. Ulike selskaper i samme region i Tanzania ble sett på.

Økonomisk bærekraftighet var det ingen av selskapene som klarte å opprettholde.Strømprisen i området var for lav til at selskapene klarte å akkumulere penger tilnyinvesteringer og vedlikehold av nettet. Dette til tross for at ingen av selskapenehadde kapitalkostnader fra den initielle investeringen. Dette medfører at for alleselskapene som ble sett på, er tilførsel av kapital fra myndigheter eller andre giverenødvendig for å opprettholde leveransen. Det betyr imidlertid at en ekstern orga-nisasjon som går inn som giver kan stille krav til landsbyen. Det kan for eksempelvære miljømessige og sosiale krav som må opprettholdes, for at landsbyen skal


motta finansiering til utbygging og drift av strømnettet. Det er uheldig at ingen avselskapene klarte å være økonomisk selvstendige, men bistand til elektrifiseringpå denne måten kan bli en effektiv måte å løfte levestandarden i underutvikledeområder på.

Selv om rapporten til E. Ilskog og B. Kjellström viser at eksisterende sammen-lignbare prosjekter ikke er lønnsomme, betyr ikke det at soldrevne mikrogrid vilvære ulønnsomt i fremtiden. Ny teknologi overtar og gjør eksisterende teknologibilligere. Prisen på solcellepaneler har falt veldig de siste årene og kommer til åfortsette å gjøre det. Det vil føre til at oppstartskostnadene blir mindre og det vilvære enklere å skaffe kapital til oppstart.

3.2.2 Innbetaling fra kunder

For at en landsby mikrogrid skal fungere over tid er det viktig med en økonomiskmodell som sørger for tilstrekkelig innbetaling. Det er for å muliggjøre vedlike-hold og oppgradering av systemet. Det er mange utfordringer knyttet til det å fåtil et velfungerende system. En viktig faktor må være at systemet må være lett åforstå og brukerne må føle at de får den varen de betaler for. Hvis dette ikke opp-nås kan brukerne av nettet lett ty til tyveri av elektrisitet, eller avstå fra å betalefor strømmen [9].

Tre mulige metoder for innbetaling fra kundene vil bli vurdert - fastpris, strøm-måler og kontantkort. Ingen av løsningene er perfekte, og det er potensielt storeutfordringer for alle disse systemene.

1. FastprisEt system med fastpris er en rimelig måte å drifte et nett der forbruket er liteog stabilt over tid. Kundene betaler en tilknytningsavgift, og en periodiskavgift basert på hvor mange elektriske apparater de har. Et slikt system erbrukt på et mikrogrid på Sunderban øyene i India [9]. Dette nettet var basertpå solceller som ladet batterier som deretter skulle forsyne strøm til lands-byen i fem timer etter solnedgang. Et problem som etterhvert oppstod var atinnbyggerne stadig koblet til nye apparater slik at forbruket økte. Det økteforbruket førte til at batteriet ble tømt fort, og innbyggerne ble raskt mis-fornøyd med nettet. Det resulterte i redusert betalingsvilje. Det viser hvorviktig det vil være at mikrogriden leverer et godt produkt som kunden sy-nes det er greit å betale for. Da innbyggerne i landsbyen ble spurt om hvade mente var grunnen til at forsyningssikkerheten var så dårlig, var det kunnoen få som mente at overforbruk var grunnen.

2. StrømmålerBetaling av strøm basert på målt energiforbruk er den vanligste måten å be-


tale for strøm på. Tanja Winthers rapport om strømtyveri så på et strømnettav denne typen på øygruppa Zanzibar i Tanzania [9]. Et av problemene hosinnbyggerne var å betale for en vare lenge etter at den var brukt. Denne ty-pen kreditt vil være nytt for mennesker i rurale strøk. Hele konseptet meden juridisk bindene avtale mellom kunde og leverandør var nytt for de fleste.Det oppstod flere former for eltyveri i landsbyen. Et eksempel var at flereenn ett hus ble koblet til samme måler. Det ble betalt for energien som blebrukt betalt for, men tilkoblingsavgiften for tilleggshusene ble ikke betalt.Denne løsningen var særlig vanlig for menn som hadde flere koner, der ko-nene bodde i hvert sitt hus. Eltyveri i form av at innbyggere koblet til lastuten målere forekom også. Et annet problem var korrupsjon blant ansatte inettselskapene. Korrupsjon i tillegg til dårlig tilrettelagt informasjon, førtetil lav tiltro til systemet. Uriktig avlesning og målefeil er andre svakheterved et slikt system.

3. KontantkortEn løsning basert på kontantkort for betaling av strøm blir her vurdert somden beste løsningen. Sharedsolar er en oraganisajon som ser på mulighetenefor et slikt system [8]. Kontantkort kan fungere ved at kundene har en formfor smarte målere som registrerer om kundene har betalt for strømmen. Mo-biltelefoni har de siste årene blitt meget vanlig i mange områder i Afrika.Det gjør at forhåndsbetaling for en vare er en utbredt betalingsløsning. Sys-temet vil være forutsigbart, ved at innbyggerne vet hva de har betalt for, oggjør det vanskeligere å stjele strøm. En stor ulempe med smarte målere er atdet vil være fordyrende å kreve mer infrastruktur for å organisere det. Sys-temet med smarte målere gir imidlertid gode muligheter for integrering avandre smarte løsninger. Dette kan f.eks være salg av strøm fra privatkunder.

En felles suksessfaktor for alle innbetalingsmåtene som beskrevet er at produktetsom leveres må ha høy kvalitet for å få kundene til å betale. Det vil være viktigat det ikke oppstår korrupsjon, og at innbyggerne ikke må betale for mer energienn det de bruker. Informasjon tilpasset kunder med liten eller ingen erfaring medbruk av elektrisitet må gjøres tilgjengelig. Dette for at de skal forstå hva som skaltil for at nettet fungerer.

4 Energikilder 8

4 EnergikilderDenne delen av rapporten vil se på ulike energikilder for mikrogriden. Her vil kunde forskjellige energikildene bli presentert. I diskusjonen (kapittel 7) vil valget avenergikilde bli begrunnet nærmere. Hvilke kilder som velges vil ha stor innvirk-ning på mikrogriden, så en gjennomgang av de ulike mulighetene er nødvendig.Det fokuseres på fornybare løsninger siden mikrogriden skal være fremtidsrettetog bærekraftig.

4.1 Fornybare energikilder4.1.1 Vindkraft

For å utnytte vind som energikilde kan det benyttes en vindturbin. Turbinen samlerenergien til vinden, og gjør den om til mekanisk energi i form av rotasjon av enaksling. En generator omgjør den mekaniske energien til elektrisk energi [11].En stor utfordring med vindturbiner i rurale strøk er at det kreves en del arbeidmed tanke på bygging og vedlikehold. Det kreves også utbygd infrastruktur forå frakte maskindelene til der turbinen skal installeres. Dette gjør vindkraft til enkostbar energikilde som krever teknisk kompetanse med tanke på vedlikehold.Kartlegging av vindstyrke i det aktuelle området er viktig. Turbinen krever envindhastighet på mellom 5 m/s til 15 m/s [11] for å driftes.

4.1.2 Vannkraft

Et vannkraftverk fungerer ved at en vannstrøm ledes gjennom en turbin som igjener koblet til en generator. Dermed blir den potensielle energien til vannet konver-tert til elektrisk energi. Småskala vannkraftverk kan være en gunstig energikildetil mikrogrids i de rette områdene, og er kanskje ved siden av solkraft den forny-bare energikilden som så langt har blitt utnyttet mest i Afrika [15]. I likhet medvindkraft kreves det noe infrastruktur for å frakte utstyr til aktuelle områder, mendet finnes analyser som viser at småskala vannkraftverk er den mest økonomiskemåten å elektrifisere store deler av Afrika sør for Sahara [12]. Selv om småskalavannkraftverk har fordelen av å yte god kapasitet for relativt små anlegg, er et sliktanlegg sårbart for tørkeperioder, som særlig har funnet sted i Tanzania [15].

4.1.3 Solkraft

Det finnes flere ulike teknologier som kan brukes til å konvertere strålingen frasolen til elektrisitet.

4 Energikilder 9

En måte å høste denne energien på er å benytte et termisk kraftverk. I et sliktkraftverk vil damp bli varmet opp med energi fra solen. Dampen får et høyt trykkog kan drives gjennom en turbin som er tilknyttet en generator, og elektrisk ener-gi kan produseres. En stor fordel med et slikt system vil imidlertid være at dettillater lagring av energi slik at elektrisitetsproduksjonen kan fordeles over heledøgnet. Vi anser denne typen solkraftverk som for teknologisk avansert for denmikrogriden vi planlegger.

Solceller er en annen måte å høste energi fra stråling fra solen. Solceller benyt-ter den fotoelektriske effekten som oppstår når fotoner frigjør elektroner i metall.Solceller består av et materiale som kalles en halvleder, der den vanligste typenhalvleder for bruk i solceller er multikrystallinsk silisium. Halvlederen blir bear-beidet på en slik måte at den klarer å omforme de frigjorte elektronene til en strømi en leder. [19].

Flere solceller blir koblet sammen slik at de danner et solcellepanel. Spenningenover hver solcelle ligger typisk på 0.5 V - 0.6 V, og flere solceller kobles i seriefor å oppnå en høyere spenning. For mindre systemer er det vanlig med en kon-figurasjon som gir en spenning på 12 V. Hvis man ser bort i fra virkningsgrad erdet antallet solceller i panelet som bestemmer hvor stor effekt panelet er designetfor å yte. Ytelsen til et panel kan selvfølgelig variere veldig mye avhengig av hvapanelet skal brukes til, men typiske verdier for effekten er 50 - 300 W. Virknings-graden for solceller som benyttes til elektrisitetsproduksjon for husstander liggeri dag på ca 15 % [17].

En maximum power point tracker (MPPT) brukes for å operere panelet under ide-elle betingelser. Det er en modul som ut fra produsentens data om panelet og målteverdier, beregner hva som er optimal spenning for panelet. Siden MPPTen har enDC-DC konverter kan panelet opereres under ideelle betingelser, samtidig somnettet eller batteriet den er koblet til mottar en fast spenning [18]. Når solcellepa-nelet skal kobles til et batteri brukes det ofte en komponent som inneholder bådeMPPT og lader, men hvis panelet skal kobles til et vanlig strømnett må dennekomponenten også inneholde en vekselretter.

Solcellepaneler er en ganske dyr komponent, så det er viktig å bruke panelet riktigfor å få mest mulig energi ut av investeringen. Det er blant annet viktig at solcelle-panelet monteres i riktig vinkel i forhold til solen slik at den fanger mest muligenergi. Panelene kan monteres på en to-akset solfølger som sørger for at panelenetil enhver tid står i en optimal vinkel i forhold til solen. Ved bruk av et slikt systemkan man samle opptil 40% mer energi fra solen i løpet av et år [18]. Et slikt systemvil imidlertid være dyrere samtidig som det fører til mer vedlikehold.

4 Energikilder 10

4.1.4 Brenselcelle

En brenselcelle er en enhet som genererer elektrisitet gjennom en kjemisk pro-sess. Den ligner et batteri i konstruksjonen med to elektroder, anode og katode,og en elektrolytt mellom disse. I motsetning til batteriet som har alt det kjemis-ke materialet lagret, skjer energiproduksjonen i en brenselcelle ved kontinuerligtilførsel av hydrogen ved anoden og oksygen ved katoden. Hydrogenatomene vilioniseres gjennom en kjemisk prosess som frigjør elektroner. Disse elektronenevil gi en elektrisk strøm. Hydrogenionet vil gå gjennom elektrolytten fra anodentil katoden og vil der reagere med tilført oksygen og de frigjorte elektronene igjenfor å produsere vann. Brenselcellen vil produsere elektrisitet så lenge den tilføreshydrogen og oksygen. En prinsippskisse er vist i figur 2.

Figur 2: Prinsippskisse av en brenselcelle [20].

Hydrogen og oksygen er ikke det eneste drivstoffet som kan brukes til brenselcel-ler, men disse er mest vanlig. Dette er i hovedsak fordi det eneste biproduktet ervann og noe varme, slik at det ikke forurenser [20], men også fordi hydrogen ikkeer et giftig stoff [21].

En brenselcelle fungerer som en uavhengig enhet og vil derfor være relevant somsekundær energikilde som kan brukes ved feil i hovedkilden i et elektrisk nett[22]. Problemet med brenselceller tidligere har vært at de er store konstruksjonerog svært dyre å produsere, akkurat som mobiltelefonen og datamaskinen var dade ble introdusert. Men som disse er brenselcellen blitt stadig mer kompakt ogbilligere i produksjonen.

4 Energikilder 11

4.2 Ikke-fornybare energikilder4.2.1 Diesel

Off-grid-systemer basert på dieselaggregat er svært utbredt i øysamfunn og and-re avsidesliggende steder [13]. Det kan benyttes som primær kraftkilde eller sombackup i et hybrid system, der dieselaggregatet er kombinert med en fornybarenergikilde som vind- eller solkraft. I samfunn der kraftsystemet er basert på die-sel, vil det være kostnader relatert til transport og lagring. Det vil også være usik-kerhet med tanke på prisen på drivstoff.

Siden 1950-tallet og utover har frittstående dieselsystemer, sammen med utvidelseav sentraliserte grid, vært den teknologien som har dominert elektrifiseringen avrurale områder i Afrika [12]. For en avsidesliggende landsby i Afrika vil et systembasert på diesel først og fremst by på utfordringer relatert til kostnader og logis-tikk. Landsbyen vil være avhengig av å få transportert inn kostbart drivstoff, og viltrolig trenge ekstern hjelp hvis aggregatet har behov for service. Dieselaggregater en pålitelig energikilde som er godt forankret i industrien med gode muligheterfor service og reservedeler.

5 Energilagring 12

5 Energilagring

5.1 Batterier som energilagerDen vanligste måten å lagre elektrisk energi på er ved bruk av batterier. Den meng-den energi som kan bli lagret i et batteri er bestemt av antall ampere-timer (Ah),som beskriver hvor mye strøm et batteri kan levere i en gitt mengde timer. Batteri-typen som blir brukt til energilagring er blybatterier (Lead-acid). Grunnen til detteer at de er billige, og passer til bruk i store sykluser [24]. Oppbyggingen er vist ifigur 3. Det består av to elektroder av bly som er dyppet i et syrebad. Elektrodene,eller polene, har hver sin polaritet.

Figur 3: Lead-acid batteri

Aldring og lagringsmønser til batteriet bestemmer hvordan batteriet oppfører seg.Dette gjør at virkningsgrad og kapasitet forandrer seg over tid [10]. Vanlig levetidpå batterier er rundt 2000 sykluser, eller ca 7-10 år.

Hvis man skal bruke batterier i en mikrogrid som et energilager, er det viktig åtenke på hva energibehovet for nettet er og hvor lenge batteriene skal levere ener-gi. Det må også vurderes hvor hurtig en syklus for batteribanken blir gjennomført.En annen ting som er viktig å tenke på er at batteriene leverer likestrøm. Mantrenger derfor en omformer som kan gjøre likestrøm om til vekselstrøm, hvis bat-teriene står i et vekselstrømsnett. Batterier blir styrt av spenningen som tilsier atomformeren bestemmer om batteriene skal levere eller lagre strøm.

Et mulig oppsett på en batteribank er vist i figur 4. Fire battericeller er koblet iserie på hver sin parallelle grein. Spenningen (V) på dette systemet er bestemt avhvor mange battericeller som er koblet i serie i hver parallelle grein.

Figur 4: Batteribank

5 Energilagring 13

5.2 Mekanisk energilagring5.2.1 Komprimert luft

Komprimert luft kan brukes som energilager. Metoden går ut på å sprøyte kom-primert luft ned i et lager under bakken. Her vil luften lagres under høyt trykk.Når luften slippes ut vil den drive en turbin som genererer elektrisitet via en gene-rator. Energilageret vil kunne fylles da det er mye sol, og brukes i periodene medmangel. Det negative med komprimert luft som energilager, er høy kostnad og lavvirkningsgrad. Det er nødvendig å bruke lageret kort tid etter påfylling for at detskal være effektivt [25, 26].

5.2.2 Svinghjul

Et svinghjul fungerer ved at man spinner opp en sylinderformet skive med stortreghet. Energien vil lagres som kinetisk energi i form av rotasjon i svinghjulet.Svinghjul kan ha høy virkningsgrad, og har evnen til å produsere energi hurtig nårde aktiveres. Det er viktig med lav friksjon i svinghjulet for at energien skal lagresuten store tap, men selv med liten friksjon vil det alltid være tap. [27, 28].

6 Styring og regulering 14

6 Styring og reguleringEn viktig komponent i mikrogriden er kontrollsystemet som styrer, regulerer ogovervåker kraftproduksjonen. En mikrogrid vil ha andre utfordringer knyttet tilstyring og regulering enn et konvensjonelt/sentralisert kraftsystem. Disse utford-ringene er i stor grad knyttet til kravene for fleksibilitet. Dette gjelder ulike typerkraftkilder, behovet for enkel utvidelse “plug and play” og eventuell inn- og ut-kobling av mikrogriden mot et sentralt kraftnett [29]. Et kontrollsystem beregnetpå en mikrogrid installert i rurale strøk i Afrika, vil også være enkelt å betjene.

Det finnes i dag en rekke kommersielle produkter relatert til styring og reguleringav mikrogrids, fra blant andre ABB [38], Siemens [39], Toshiba [40] og SMA[41].

6.1 Utfordringer knyttet til kontroll av mikrogridsDet finnes en rekke utfordringer når det kommer til styring og regulering avmikrogrids, spesielt for applikasjoner i avsidesliggende områder. Her nevnes noenkjente utfordringer:

• En mikrogrid inneholder ingen kraftkilder med treghet som kan ta opp plut-selige lastøkninger [29]. Konvensjonelle kraftnett med store generatorerinneholder tunge roterende masser med stor treghet, som vil kunne ta oppendringer i last uten nevneverdige problemer. En mikrogrid (som ikke erkoblet til et sentralt nett) inneholder ingen slik treghet. Dermed er den heltavhengig av energilagring i form av f.eks. et batteri. Dette kan ta opp last-endringen inntil kraftkildene i mikrogriden kan respondere til det økte kraft-behovet.

• Mange og ulike typer kraftkilder skaper en komplisert dynamikk i griden,som må tas hensyn til i designfasen for å sikre stabilitet og pålitelighet.

• Konvensjonelle metoder for beskyttelse av griden (f.eks. deteksjon av kort-slutningsstrøm) fungerer ikke nødvendigvis for en mikrogrid. Dette er fordistrømmene som oppstår ved en feil i griden ikke nødvendigvis er mangeganger større en ved normal operasjon, og det blir dermed vanskelig å de-tektere feil.

• Utfordringer knyttet til eventuell inn- og utkobling av mikrogriden mot etsentralt kraftnett.

• Utfordringer knyttet til betjening og vedlikehold i avsidesliggende områder.


6.2 TopologiDet finnes ulike topologier og nyanser for hvordan et kontrollsystem for en mikrog-rid kan se ut, og det finnes mange eksempler på ulike implementasjoner rundt om iverden [30, 34]. Sentralt for alle de ulike konseptene er utstrakt bruk av kraftelekt-ronikk for å fasilitere grensesnittet mellom de ulike kraftkildene og busen. Det erogså bruken av kraftelektronikk som gjør det mulig å implementere mikrogridsmed bustyper skreddersydd applikasjonen (AC, DC, ulike spenningsnivå) [31]. Eteksempel på hvordan kontrollsystemet til en mikrogrid kan se ut er vist i figur5. Generelt kan det sies at et kontrollsystem for en mikrogrid vil inneholde firenøkkelelementer:

• Microsource Controller (MC) [29, 32]

• Energy Manager/Microgrid Central Controller (MGCC) [29, 32]

• Beskyttelsesfunksjoner [29, 32]

• Avanserte målesystemer (AMS)

Figur 5: Mulig topologi for et kontrollsystem for en mikrogrid

6.2.1 Microsource Controller (MC)

Med Microsource Controller menes lokale regulatorer/omformere for hver kraft-kilde. MC’ene bruker kun lokale målinger av spenning og strøm for og raskt kunneregulere effektflyten, og er dermed ikke avhengig av å kommunisere med andre


enheter. Dersom mikrogriden er koblet på en sentral grid, er det MC’en som måsikre at kraftkilden tar opp sin del av effektbehovet dersom mikrogriden går iøydrift (dette er imidlertid ikke nødvendigvis en relevant problemstilling for enisolert mikrogrid i rurale Afrika). De nevnte oppgavene krever en svært rask re-gulator som er i stand til å reagere på et millisekundnivå. To sentrale regulerings-funksjoner i en god MC er: lokal spenningsregulering for å hindre svingninger ispenning/reaktiv effekt og sirkulerende reaktive strømmer, og lokal effektregule-ring for å ta opp økt effektbehov.

6.2.2 Energy Manager/Microgrid Central Controller (MGCC)

En MGCC vil ha ansvaret for overordnet/sentralisert styring av mikrogriden, veddistribusjon av settpunkt for spenning og effekt til hver MC, planlegging av energi-lagring, osv. MGCC’en kan komme i mange former og fasonger. Det kan være enavansert regulator som styrer griden optimalt for å minimere kost eller utslipp,eller en operatør som setter settpunktene manuelt via et kontrollpanel.

6.2.3 Beskyttelsesfunksjoner

Det må også finnes funksjoner for å overvåke MGen for feil, og reagere på disseved for eksempel å koble ut laster og/eller energikilder. Eksempler på dette ereffektbrytere, vern og innebygde sikkerhetsfunksjoner i de ulike komponentene igriden.

6.2.4 Avanserte målesystemer (AMS)

Med avanserte målesystemer menes som regel strømmålere som er i stand til å taautomatiserte avlesninger av strømforbruket til en avgang med jevne tidsinterval-ler. Forbruket blir deretter sendt til nettselskapet via ulike medier. En annen formfor AMS kan være en måler med en innebygget kontantkortløsning som registre-rer om kunden har betalt for strømmen eller ikke, slik det er beskrevet i avsnitt3.2.2.

6.2.5 Implementasjon

Den største forskjellen på de ulike implementasjonene av kontrollsystemer formikrogrids er i hvor stor grad styringen av hver kraftkilde overlates til den sen-trale kontrolleren (MGCC) [30]. I det ene ekstreme tilfellet der mesteparten avstyringen overlates til MGCC, innebærer dette gjerne et økt behov for skredder-sying/engineering for hvert enkelt anlegg. I tillegg blir anlegget sterkt avhengigav enkeltkomponenter [33]. I den andre enden finner vi anlegg der hver kraftkil-de styres autonomt av MCene og er i stand til å reagere på endringer i griden


kun basert på lokale målinger. Her spiller MGCCen en mer overordnet rolle. Denkan f.eks. styre settpunkt til hver MC i forhold til en gitt kostfunksjon som mini-merer økonomiske eller miljømessige forhold. Et eksempel på et slikt konsept er“CERTS Microgrid Concept” [29, 32]. Et slikt konsept er fleksibelt i den forstandat det kan utvides med flere kraftkilder/lagringsenheter uten at det blir noe spesi-elt behov for ekstra engineering. Det er dermed tilnærmingen som vil være mestaktuell for en mikrogrid i rurale Afrika, dog mest sannsynlig en forenklet variant.

De fire elementene MC, MGCC, beskyttelsesfunksjoner og AMS må ikke nød-vendigvis være implementert i egen hardware. Det er fullt mulig, og kanskje ogsåmest vanlig, å integrere to eller flere av elementene i en enkel hardwaremodul.Eksempler på dette kan være:

• MC med integrerte beskyttelsesfunksjoner [41, 39, 38].

• En av MCene i mikrogriden inntar rollen som MGCC [41].

• Avanserte målesystemer med innebygget effektbryter. Et eksempel er kon-tantkortløsningen som kobler ut avgangen dersom strømmen ikke er betalt.

6.3 Eksempel på kontrollsystem og eksisterende hardwareløs-ninger for mikrogrids

Det finnes allerede mange mikrogrider i drift i avsidesliggende områder, også irurale Afrika. Et eksempel er Solar23 sitt anlegg i Ndelle, Senegal [36]. Dettebruker utelukkene solenergi som kraftkilde, og batterier som energilagring. Enskisse av layouten til anlegget fra prosjektets websider er vist i figur 6. Anleggethar MCer av typen SMA SMC 7000 TL som overfører den genererte energien frasolcellene til mikrogriden. Anlegget har også en slags MGCC av typen SMA SI5048 som fungerer som grensesnitt mellom mikrogriden og batteribanken Dettefor å sørge for strøm på mikrogriden når det ikke er solenergi tilgjengelig, og ladebatteriene når det er mulighet for det.


Figur 6: Layout for Solar23 sitt anlegg i Ndelle, Senegal.

Det finnes også mange andre eksempler på allerede utviklet hardware for kontrollav mikrogrids. Hvis man konsentrerer seg om et anlegg basert på solenergi oglagring med batterier, er det ikke vanskelig å lete fram egnede MCer for dette.Eksempler er SMA [41], ABB [38] eller Siemens [39] for litt større systemer. Sefigur 7 for en bildecollage av noen av disse produktene. Alle disse produktenehar svært god virkningsgrad, innebygde beskyttelsesfunksjoner og funksjoner forenkel igangkjøring og drifting samt diverse kommunikasjonsgrensesnitt (RS485,Ethernet o.l.). Det sistnevnte på grunn av sammenkobling mot en sentralisert kon-troller (MGCC) og/eller fjernovervåking.

Figur 7: Ulike harwareløsninger egnet for bruk i mikrogrids. (a): SMA SUNNYISLAND 6.0H/8.0H: Omformer for grensesnitt mellom mikrogrid og batteribank.Smarte funksjoner for automatisk kontroll av opp- og utlading. (b): SMA SUNNYBOY 3300/3800 PV-omformer. (c): ABB PVS300 PV-omformer. (d): SiemensSINVERT PV-omformer. (e): ABB PCS100 100kW energilagringssystem (batte-rier og styring)

7 Diskusjon 19

7 DiskusjonUtbygging av en mikrogrid i ikke-elektrifiserte områder kan gjøres på flere måter.En mulighet er å lage et system som tilbyr elektrisitet i noen timer etter solned-gang. En annen løsning vil være å designe en grid med kontinuerlig drift somtilbyr elektrisitet av høy kvalitet hele døgnet. Det viktige med en grid er uansett atdet dekker de behovene landsbyen har på en rimeligst mulig måte. Det vil allikevelvære meget viktig at det systemet som tilbys har høy kvalitet og god leveringssik-kerhet. Mikrogriden skal lages for å fungere i mange år, og må derfor være etgjennomført produkt. For at nettet skal kunne fungere over tid er det viktig at be-folkningen er fornøyd med varen de blir tilbudt. De vil derfor være villige til åbetale for strømmen, og dette vil bidra til å gjøre nettet økonomisk bærekraftig.

Den løsningen for en mikrogrid som gruppa mener er hensiktsmessig er et systemmed kontinuerlig drift og høy leveringssikkerhet. Det er et ambisiøst mål som kanvære økonomisk utfordrende å få til, men siden dette er en konseptuell mulighets-analyse mener gruppa griden må designes på denne måten. Systemet skal byggesfor framtiden, og ha mulighet til å bli integrert i en fremtidig smartgrid.

7.1 Teknisk løsningEnergikilde Det finnes mange hensyn å ta når en skal diskutere hvilken energi-kilde som er mest hensiktsmessig å innføre i en rural landsby i Afrika. Etter å hastudert ulike relevante løsninger for energiforsyning ble det tidlig klart at områdetlandsbyen ligger i vil ha mye å si for hvilken energikilde som er mest økonomiskå innføre. Figur 8 viser en grafisk fremstilling av dette i ulike deler av Afrika. Denviser at den sydlige delen av Afrika domineres av områder der solkraft og vann-kraft er mest økonomisk, og at utvidelse av eksisterende sentralisert kraftnett erlønnsomt kun for mindre områder. Diesel vises også som den mest økonomiskekraftkilden i noen områder, men det påpekes at dette har en sterk sammenhengmed nasjonale subsidier i disse områdene. Figuren er samtidig fra 2010 og det harvært en nedgang i prisen på solcelleteknologi siden den tid [34, 35]. Dermed villedet mest sannsynlig vært større områder farget gult i figur 9 og figur 8, dersom desamme analysene ble gjennomført i dag. I denne rapporten er det fokusert mest påsolenergi, siden dette er fornybar energi med gode framtidsutsikter. Selv om små-skala vannkraftverk kan være en god løsning økonomisk sett (figur 8), krever enslik løsning gjerne mer skreddersying og engineering samt mer lokal kompetan-se for drift og vedlikehold av anlegget. Når det gjelder mulighetene for vindkrafter vindstyrken i Afrika sør for Sahara lav [16]. For eksempel er gjennomsnittligvindstyrke i et land som Namibia på 3.6-4.8 m/s [14]. Dette gjør vindkraft til etugunstig alternativ.

7 Diskusjon 20

Figur 8: Grafisk fremstilling av hvilken energikilde som er mest lønnsom å innføre[12]. Blå: Småskala vannkraft. Gult: Solenergi. Orange: Diesel. Rødt: Utvidelseav sentralisert kraftnett.

Siden 1950-tallet er det diesel standalone-systemer og utvidelse av det sentraliser-te kraftnettet som har dominert elektrifiseringen av rurale Afrika [12]. For å få enbærekraftig utviklig av elektrifiseringen i Afrika, er det svært viktig å innføre nyefornybare energikilder som kan utfordre dieselmarkedet. Figur 9 viser grafisk pri-sen per kWh for diesel mot solkraft og viser at mulighetene for solkraft er megetgode. Siden solenergi er fornybart er det et stort potensial for denne teknologienglobalt. Mikrogriden som skisseres her skal være en fremtidsrettet energiløsningfor land under utvikling, og solcellers lave CO2-footprint gjør det til en bære-kraftig løsning. For mange av landene sør for Sahara er antallet soldager per århøyt. Dette gjør at muligheten for suksess for denne teknologien er meget stor her.Prisen på solceller har halvert seg de siste fem årene, og ser ut til å fortsette ogsynke [35]. Energikostnaden for solcelleenergi ligger hovedsakelig i installasjons-kostnaden. Dette vil bidra til at denne teknologien kan bli mer tilgjengelig i årenesom kommer. Solceller er høyteknologiske og er avanserte å produsere, men deer enkle og lavteknologiske å drifte. Dette er en stor fordel siden det teknologiskekunnskapsnivået i rurale landsbyer som regel er lavt. Med enkelt vedlikehold kanlevetiden for solcellepaneler være opp mot 40 år. Det kan forsvare en relativt høyinstallasjonskostnad.

7 Diskusjon 21

Figur 9: Sammenlikning av pris (EUR/kWh) av diesel vs. solkraft [12]. Blå fargeindikerer at diesel er mest økonomisk, mens gult/rødt indikerer at solkraft er mestøkonomisk. I følge [34] skyldes mye av blåfargen at mange land subsidierer diesel.

Reservekapasitet Dersom mikrogriden skal ha kontinuerlig drift er det viktigmed en reservekraftkilde som kan produsere elektrisk energi hvis sola ikke skin-ner og energilagrene er tomme. Både dieselaggregater og hydrogen-brenselcellerkan fungere som slik reservekraft. Fra en fremtidsrettet og bærekraftig synsvin-kel, vil nok brenselceller være den mest relevante teknologien. Selv om denneløsningen ikke er den mest økonomisk gunstige per dags dato [23], er det en tek-nologi med stort potensiale for fremtiden. Dersom brenselcellen kan forsynes medhydrogen som er produsert ved hjelp av fornybar energi, ville dette resultert i enhøypålitelig og 100 % fornybar mikrogrid. Det må likevel presiseres at storskalafornybar produksjon av hydrogen ligger et stykke inn i fremtiden.

Lagring og utnyttelse av overskuddskraft Energien som høstes når solinten-siteten er høy må lagres slik at den kan brukes når sola ikke skinner. Batterier eren kostnadseffektiv og enkel måte å lagre energi på. Alternativene til batterier erteknologisk avanserte og lite egnet til formåle. Det er spesielt med tanke på beho-vet for vedlikehold, og at de fleste alternativene egner seg bedre til korttidslagringog stabilisering av nettet. Levetiden til batterier er opp mot ti år, og de krever lite

7 Diskusjon 22

avansert vedlikehold i denne perioden. I tillegg til langtidslagringsegenskapeneegner batterier seg også godt som hurtiglager for å fasilitere plutselige lastendrin-ger i mikrogriden.

Dersom landsbyen har tilgang på en brønn og bruker elektriske pumper til å pumpeopp vann, kan en også benytte overskuddkraft til å lagre vann i et vanntårn. Meden slik enkel løsning vil ikke energien som lagres på denne måten kunne overførestilbake til griden igjen. Derimot er det en god måte å utnytte overskuddskraft på,som vil føre til at innbyggerne i landsbyen slipper å pumpe opp vann manueltdersom kraftreservene er lave.

Fordelingsnett For fordelingsnettet vil det være mest naturlig å velge den spen-ningen og frekvensen man er vant med fra landet mikrogriden skal installeres i.For den sørlige delen av Afrika er dette som regel 220 VAC / 50 Hz [42]. Det-te muliggjør også bruk av billig og lett tilgjengelig forbukerelektronikk. Dimen-sjonering av fordelingsnettet bør gjøres med tanke på økt forbruk, da det antasat forbruket vil øke med tiden. Siden både solceller, batterier og brenselcelleropererer med likespenning vil det være naturlig med et likestrømsnett (DC) vedproduksjons- og lagringsenehetene, dersom disse er klynget sammen.

7.2 Eksempel på mulig topologi for en mikrogridEn illustrasjon av en mikrogrid slik som den beskrives i avsnittene over er vist ifigur 10. Den består av en produksjonsklynge med solcellepanel (PV), batteribank(Batt) og brenselcelle, som er koblet på en likestrømsbus (DC-Bus). Energien her-fra overføres via en DC/AC-omformer til fordelingsnettet, der alle lastene er til-koblet. Måten mikrogriden og kontrollsystemet bør være designet på, muliggjørfor videre utvidelse med flere produksjonsklynger og laster etter økende behov.Produksjonsklyngene må ikke nødveldigvis inneholde både solcellepanel, batteriog brenselcelle. Det er ingenting i veien for å koble et av disse elementene direktepå fordelingsnettet via en omformer.

7 Diskusjon 23

Figur 10: Mulig topologi for mikrogrid.

8 Konklusjon 24

8 KonklusjonUtgangspunktet for dette prosjektet var å se på mulighetene for en selvforsyntmikrogrid i rurale Afrika, og vurdere utfordringene knyttet til dette. Elektrifiseringav rurale strøk i Afrika kan uten tvil hjelpe til å bedre levesituasjonen for sværtmange mennesker. Gjennom arbeidet med denne rapporten har det blitt klart atdet er knyttet en rekke utfordringer til innføring av elektrisitet i avsidesliggendeområder. De største utfordingene dreier seg ikke om å utvikle en teknisk løsning,men er knyttet til de sosiale, økonomiske og finansielle aspektene.

Ved å veie fordelene og ulempene ved ulike energikilder og -lagringsenheter, harvi kommet frem til at en mikrogrid-løsning basert på solenergi som primær kraft-kilde, batterier som lagringsenhet og brenselceller som reservekraft er en frem-tidsrettet og god løsning for store deler av Afrika. Når det gjelder kontroll ogstyring av mikrogriden, finnes det allerede en del hyllevare som egner seg godt tildette. Dersom et slikt konsept ble bygget ut i stor skala ville dette bidratt til enbærekraftig utvikling av elektrifiseringen i Afrika. I tillegg er et slikt konsept flek-sibelt med tanke på videre utvidelser etter økende behov, og robust i den forstandat hver landsby vil være selvforsynt med strøm.

Finansiering av prosjekter for utbygging av slike anlegg er utfordrende. Det ervanskelig å gjøre slike prosjekter økonomisk lønnsomme for investorer. Utbyg-ging og drift vil derfor i en del tilfeller være avhengig av en investor eller giversom ikke forventer profitt. Elektrifisering kan dermed være en effektiv form forbistand som kan gi varig økning i levestandard.

Innføringen av en mikrogrid vil gi en del sosialt gunstige effekter for innbyggernei landsbyen. Kvinner bruker mye tid og krefter på henting av vann til familien. Vedå ha en brønn med en elektrisk pumpe vil dette ikke lenger være nødvendig. Devil få bedre tid til skole og andre aktiviteter. Bedringen av vannkvaliteten vil hevelivskvaliteten betraktelig. Bruk av parafinlamper er skadelig for lungene, og ermeget brannfarlig. Det samme gjelder bruk av vedfyring for matlaging innendørs.Innendørsklimaet kan bli veldig skadelig for de som oppholder seg der. Detterammer særlig kvinner og barn. Innføringen av elkomfyr og elektrisk belysningvil fjerne de nevnte problemene, og dermed minske helseproblemene.

9 Videre arbeid 25

9 Videre arbeidDen største barrieren for å elektrifisere landsbyer i sydlige Afrika er den finan-sielle. Man er avhengig av å komme frem til en økonomisk modell som gjør detlønnsomt for investorer å investere i mikrogrids. Dette er svært utfordrende, ogkrever ikke bare faglig ekspertise, men også viljen til å satse. I tillegg til det storebildet, er det også viktig å ta for seg de mindre problemstillingene for å kunnebelyse de nødvendige detaljene, og vurdere konkret hva som kreves for å kunnegjennomføre slike prosjekter. Flere av disse elementene er allerede godt på vei.For eksempel er det gjort kostanalyser for innføring av mikrogrids basert på sol-energi. Det er likevel mye arbeid som gjenstår før det vil komme en storsatsing påmikrogrids i Afrika.

Utstyret som kreves for å sette sammen en fungerende mikrogrid er for det mestetilgjengelig. Dersom konkrete data er tilgjengelig for en spesifikk landsby, haddedet vært nyttig med et analyseverktøy som på bakgrunn av disse dataene kunnegenerere et forslag til en mikrogrid. Mulig input til dette verktøyet kunne værtbefolkningstall, effektbehov, antall bygninger av ulike typer, geografi o.l. Muligoutput kunne vært energikilde(r), dimensjoner, optimal layout, kost- og miljøana-lyser osv. Et slikt verktøy ville kunne erstatte mye av designfasen, som er en avde første barrierene for finansiering av et mikrogridprosjekt.

Referanser 26

Referanser[1] B. Ramin, Slums, climate change and human health in sub-Saharan Africa,

web: http://www.who.int/bulletin/volumes/87/12/09-073445/en/ [01.05.13][2] Flexiway Solar Solutions, The problem: kerosene lamps, web:

http://flexiwaysolar.com/kerosene-lamps-the-problem/ [01.05.13][3] T. Ogunlesi, S. Busari, CNN, Seven ways mobile phones have changed

lives in Africa, web: http://edition.cnn.com/2012/09/13/world/africa/mobile-phones-change-africa [01.05.13]

[4] Lazy Boy Tech, Gravity Light, web: http://www.lazyboytech.com/2012/12/gravitylight.html[01.05.13]

[5] K. Ulsrud, T. Winther, D. Palit, H. Rohracher, J. Sandgren, The SolarTransitions research on solar mini-grids in India: Learning from local casesof innovative socio-technical systems, Energy for Sustainable Development,2011.

[6] K. Ulsrud, The Solar Transitions Project, UiO, Design of village scale solarpower supply in Kenya as a creative learning process, Presentation at theMILEN conference in Oslo, November 23, 2012.

[7] E. Ilskog, B. Kjellström, And then they lived sustainably ever after? -Assessment of rural electrification cases by means of indicators, EnergyPolicy, Vol. 36, Issue 7, July 2008, pages 2674-2684.

[8] Shared Solar, web: http://www.sharedsolar.org [18.04.2013][9] T. Winther, Electricity theft as a relational issue: A comparative look at

Zanzibar, Tanzania, and the Sunderban Islands, India, Energy for SustainableDevelopment, Volume 16, Issue 1, March 2012, Pages 111-119.

[10] A. Keyhani, Design of Smart Power Grid Renewable Energy Systems, JohnWiley & Sons, 2011.

[11] T. Wildi, Electrical Machines, Drives and Power Systems, 6th Edition,Prentice Hall, 2005.

[12] S. Szabo, K. Bodis, T. Huld, M. Moner-Girona, Energy solutions inrural Africa: mapping electrification costs of distributed solar and dieselgeneration versus grid extension, Environmental Research Letters 6 (July-September 2011)

[13] C. Nayar, Innovative Remote Micro-Grid Systems, International Journalof Environment and Sustainability, ISSN 1927-9566 Vol. 1 no. 3 pp. 53-65(2012)

[14] From RETScreen database, Minister of Natural Resources Canada 1997-2012.

[15] H. Ahlborg, L. Hammar, Drivers and barriers for rural electrification inTanzania and Mozambique - grid extension, off-grid and renewable energysources, World Renewable Energy Congress, Linköping, Sweden, 2011.

Referanser 27

[16] S. Karekezi, Renewables in Africa - Meeting the Energy Needs of the Poor,Energy Policy 31(12), 2002, pp. 1059-1069.

[17] REC Group ASA, Datasheet for REC PEAK ENERGY BLK SERIES, web:http://www.recgroup.com/PageFiles/2422/REC%20PE%20BLK%20IEC%20ENG.pdf[14.04.2013]

[18] Tomas Markvart, 2000 Solar Electricity, 2nd Edition, Wiley[19] Svein Sunde, 2007 Supplementary notes, solar cells, TMT 4285 Hydrogen

technology, solar cells and fuel cells[20] Smithsonian National Museum of American History, Collecting the His-

tory of Fuel Cells, web: http://americanhistory.si.edu/fuelcells/index.htm[14.04.2013].

[21] Fuel Cells 2000, Breakthrough Technology Institute, WashingtonDC, Hydrogen Basics, web: http://www.fuelcells.org/fuel-cells-and-hydrogen/hydrogen-basics/ [14.04.2013].

[22] Interwiew with Karim Kassam, Ballard’s Director of Business Devel-opment, Growing Momentum in South African Fuel Cell Industry, web:http://www.ballard.com/landing-pages/Q_A.aspx [14.04.2013].

[23] J. D. Glandt, Fuel Cell Power as a Primary Energy Source for RemoteCommunities, White Paper, 2012

[24] J. McDowall, Conventional Battery Technologies - Present & Future,0-7803-6420-1/00 (c) 2000 IEEE pp. 1538-1540.

[25] RWE Product pages, Comressed-air energy storage, web:http://www.rwe.com/web/cms/en/183732/rwe/innovation/projects-technologies/energy-storage/compressed-air-energy-storage/ [14.04.2013].

[26] Fornybar.no, Komprimert luft som energilager (CAES), web:http://www.fornybar.no/andre-teknologier/elektrisitetslagring/komprimert-luft-som-energilager-caes [14.04.2013].

[27] K. Fehrenbacher, gigaom.com, What you need to know about flywheels, web:http://gigaom.com/2011/10/31/what-you-need-to-know-about-flywheels/[14.04.2013].

[28] Beacon Power, LLC, About Flywheel Energy Storage, web:http://www.beaconpower.com/products/about-flywheels.asp [14.04.2013]

[29] R. Lasseter, A. Akhil, C. Marnay, J. Stephens, J. Dagle, R. Guttromson, A.S. Meliopoulus, R. Yinger, J. Eto, The CERTS Microgrid Concept, WhitePaper for Transmission Reliability Program, Office of Power Technologies,U.S. Department of Energy, 2002.

[30] B. Kroposki, R. Lasseter, T. Ise, S. Morozumi, S. Papathanassiou, N.Hatziargyriou, Making Microgrids Work, IEEE Power & Energy Magazine,Vol. 6, pp. 40-53, 2008.

[31] I. Vechiu, A. Llaria, O. Curea, H. Camblong, Control of Power ConvertersFor Microgrids, EVER’09, Monaco, 26-29 March 2009.

Referanser 28

[32] P. Piagi, R. Lasseter, Autonomous Control of Microgrids, presented at theIEEE Power and Energy Society General Meeting, 2006, PES GM’06.

[33] R. Lasseter, P. Piagi, Microgrid: A Conceptual Solution, PESC’04, Aachen,Germany, 20-25 June 2004.

[34] M. J. Ræstad, B. Thorud, R. G. Anderson, P. Sainju, Policy Brief 3 - SolarOff-Grid Systems, NORPLAN AS, December 2012.

[35] SolStats.com, Solar panel prices – drop by half over the last 5 years, web:http://www.solstats.com/blog/solar-energy/solar-panel-prices-drop-by-half-over-the-last-5-years/ [24.04.13]

[36] Solar23 GmbH, Solardachprojekt Senegal (Ndelle solar project),web: http://www.solar23.com/v1/solardachprogramm-senegal/en/01.htm[06.02.2013].

[37] A. Verma, Scatec Solar India Pvt. Ltd., Empowering Villages by SolarPhotovoltaic, 2008.

[38] ABB product web pages, Integration of Re-newables into Isolated and Microgrids, web:http://www.abb.com/industries/no/9AAF403282.aspx?country=00[03.04.2013].

[39] Siemens product web pages, Microgrid - Ge-neration, Distribution and Consumption, web:http://w3.usa.siemens.com/smartgrid/us/en/microgrid/Pages/microgrids.aspx[03.04.2013].

[40] Toshiba product web pages, Smart Grid Solutions, web: http://toshiba-ttda.com/smart-grid-solutions/ [03.04.2013].

[41] SMA product web pages, web: http://www.sma.de/en/products/overview.html[03.04.2013].

[42] Adaptelec.com, Info by country, web: http://www.adaptelec.com/info-by-country-c-15.html [24.04.13]

[43] Office of Electricity Delivery and Energy Reliability Smart Grid R&DProgram, Summary Report: 2012 DOE Microgrid Workshop, Presentation,2012.

[44] FNs Utviklingsprogram, web: http://www.no.undp.org/norway/no_no/home.html[24.04.13]


A ProsjektbeskrivelseMicrogrid for en landsby i et utviklingsland

The U.S. Department of Energy’s official definition of a microgridis “a group of interconnected loads and distributed energy resourceswithin clearly defined electrical boundaries that acts as a single con-trollable entity with respect to the grid [and can] connect and discon-nect from the grid to enable it to operate in both grid-connected orisland-mode [43].

Formålet med prosjektet Gruppen ønsker å utforme et microgrid for en ellerflere landsbyer som ligger i et ruralt område. Størrelsen på energibehovet til lands-byen vil bli vurdert, for deretter å finne ut hvordan man best mulig kan generereenergien. Ulike metoder for generering skal sammenlignes for å komme frem tilen best mulig løsning. Gruppen ønsker i tillegg å studere de sosiale og økonomiskekonsekvensene ved innføringen av microgrid i landsbyen.

Innledning og bakgrunn Behovet for energi, og spesielt elektrisitet, i utvik-lingsland øker i takt med befolkningsveksten og ønsket om en høyere levestan-dard. Det gjenstår å se hvordan elektrifiseringen av utviklingsland vil foregå, for åimøtekomme dette økende behovet. En mulighet er en lokal utbygging av microg-rids, som på sikt kan sammenkobles for å utforme et nasjonalt kraftnett. En slikutvikling vil være interessant siden den av natur blir desentralisert, i motsetningtil det klassiske sentraliserte kraftnettet vi er vant med fra industrialiserte land.

Det er rimelig å påstå at befolkningen i utvilklingsland bør få dekket sitt energi-behov ved hjelp av fornybar energi, med tanke på dagens klimautfordringer, samtpraktiske behov som f.eks. transport av drivstoff til avsidesliggende områder. Ut-bygging av lokale microgrids vil være fordelaktig med taknke på at:

• De er godt egnet til standalone “øydrift” - ikke avhengig av storskala sen-tralisert utbygging.

• Integrering av fornybare energikilder som vindkraft, solkraft og vannkraftblir naturlig.

• De er skalerbare og det bør være forholdsvis enkelt å skreddersy til hverenkelt landsby, samt utvide dersom det er behov for det.

Microgrids vil være et godt tiltak for å få gjennomført FN’s tusenårsmål nummer7:


7. Sikre miljømessig bærekraftig utvikling: Halvere andelen avverdens befolkning uten tilgang til rent drikkevann innen 2015. For-bedring i levekår for minst 100 millioner mennesker som bor i slum-områder innen 2020 Integrere prinsippet om bærekraftig utvikling ialle lands politikk og strategier, og reversere tap av miljøressurser re-dusere tap av biologisk mangfold” [44].

Metoder

• Litteratursøk

• Undersøke ulike bedrifters forhold til problemstillingen (Statnett, Multicon-sult, Eltek, ABB)

• Simuleringer og beregninger

Konkurranse / Samarbeid med industri og næringsliv Gruppen skal deltapå Technoport. Eventuelt samarbeid med bedrifter dersom de viser interesse forprosjektet.

Framdriftsplan Gantt-diagram.

B Målinger Nicaragua 31

B Målinger NicaraguaFølgende stolpediagrammer viser grunnlaget for tabell 1. Stolpediagrammene erhentet fra Excel-filer mottatt av Ingeniører Uten Grenser (mailkorrespondansemed Linn Solheim 08.04.2013), og viser forbruksmålinger fra en landsby i Ni-caragua.

(a) Audiorium (b) Classroom

(c) Food processing (d) USaid

(e) Water processing

Documents

TET4850 Eksperter i Team - Smart Grids Microgrid for en landsby i