TET4850 Eksperter i Team - Smart Grids Microgrid for en landsby i Afrika Teknisk rapport

TET4850 Eksperter i Team - Smart Grids Microgrid for en landsby i Afrika Teknisk rapport Gruppe 3 Øyvind Frank Martin Steen-Nilsen Dynge Tobias Unneland Lars Nygaard Patrick Robertson 1. mai 2013 NTNU

ii Sammendrag Nærmere 600 millioner mennesker i Afrika er uten tilgang til elektrisitet. Behovet for energi og elektrisitet øker i takt med befolkningsveksten, og mange områder i Afrika mangler den nødvendige infrastrukturen for å imøtekomme dette behovet. Denne prosjektrapporten tar for seg ulike teknologiske, sosiale og økonomiske utfordringer i forbindelse med elektrifisering av rurale landsbyer ved hjelp av lokale mikrogrids. De sosiale og økonomiske utfordringene knyttet til elektrifisering av rurale landsbyer dreier seg blant annet om landsbybeboernes forståelse av anlegget, ulike betalingsløsninger, finansiering av utbygging og vedlikehold av anleggene. Ulike testanlegg og pilotprosjekter som allerede er gjennomført viser at de sosiale og økonomiske utfordringene gjerne er en del større enn de teknologiske. Ved å innføre elektrisitet i form av lokale mikrogrids i hver landsby, kan det føre til at behovet for energi blir dekket på en bærekraftig måte. Dette gjelder spesielt dersom det velges fornybare energikilder. Hvilken energikilde som er best å benytte er avhengig av beliggenheten til landsbyen. En av de teknologiene med størst potensiale er solenergi. En mikrogrid med solenergi som primær kraftkilde er relativt enkel å designe, installere og vedlikeholde. For å øke forsyningssikkerheten vil det i en slik mikrogrid være behov for energilagring. Til dette er batteribanker en god og utprøvd løsning. Dersom det er behov for kontinuerlig drift kan brenselcelle benyttes som reservekraft.

Innhold iv Innhold Sammendrag ii 1 Innledning 1 2 Levesituasjon i Afrika sør for Sahara 2 2.1 Behov................................ 2 2.2 Eksempel forbruk Nicaragua.................... 3 3 Sosiale og økonomiske utfordringer 4 3.1 Sosiale utfordringer......................... 4 3.2 Økonomiske utfordringer...................... 5 4 Energikilder 8 4.1 Fornybare energikilder....................... 8 4.2 Ikke-fornybare energikilder..................... 11 5 Energilagring 12 5.1 Batterier som energilager...................... 12 5.2 Mekanisk energilagring....................... 13 6 Styring og regulering 14 6.1 Utfordringer knyttet til kontroll av mikrogrids........... 14 6.2 Topologi............................... 15 6.3 Eksempel på kontrollsystem og eksisterende hardwareløsninger for mikrogrids............................ 17 7 Diskusjon 19 7.1 Teknisk løsning........................... 19 7.2 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 Innledning Denne rapporten viser mulighetene for innføring av en mikrogrid for en landsby i et ruralt område, mer spesifikt i Afrika sør for Sahara. Ulike løsninger vil bli belyst, og det vil bli vurdert hvilken som egner seg best for det gitte behovet. De økonomiske og sosiale utfordringene ved innføringen av en mikrogrid vil også bli diskutert. Behovet for energi i utviklingsland øker i takt med befolkningsveksten og ønsket om en høyere levestandard. Et av FNs tusenårsmål omhandler å bedre levevilkårene til mennesker i utviklingsland på en bærekraftig og miljøvennlig måte. Det gjenstår å se hvordan elektrifisering av utviklingsland vil foregå for å imøtekomme dette økende behovet. Det er rimelig å påstå at befolkningen i utvilklingsland bør få dekket sitt energibehov ved hjelp av fornybar energi, med tanke på dagens klimautfordringer samt praktiske behov som transport av drivstoff til avsidesliggende områder. En mulighet er en lokal utbygging av mikrogrids, som på sikt kan sammenkobles for å utforme et nasjonalt kraftnett med smartgrid-løsninger. En slik utvikling vil være interessant siden den av natur blir desentralisert, i motsetning til det klassiske sentraliserte kraftnettet som finnes i industrialiserte land. Håpet er at en desentralisert utbygging av mikrogids vil gi en raskere elektrifisering enn ved utbygging av tradisjonelle nett. Da elektrifisering kan antas å øke levestandaren betraktelig er det ønskelig å gjøre utbyggingen så effektiv som mulig. Utbygging av lokale mikrogrids har flere fordeler. Det ene er at integrering av fornybare energikilder som vindkraft, solkraft og vannkraft er forholdsvis enkelt. En mikrogrid er også skalerbar, og er dermed enkel å dimensjonere til hver enkelt landsby samt utvide dersom det er behov for det. Denne rapporten er delt inn i ni kapitler. Kapittel 2 og 3 dreier seg om dagens situasjon, levesitusjon og behov, og sosiale og økonomiske utfordringer. Kapittel 4 og 5 beskriver henholdsvis mulige energikilder og -lagring. Ulike strategier for styring og regulering beskrives i kapittel 6. Til slutt kommer diskusjon (kapittel 7), konklusjon (kapittel 8) og forslag til videre arbeid (kapittel 9).

2 Levesituasjon i Afrika sør for Sahara 2 2 Levesituasjon i Afrika sør for Sahara Afrika sør for Sahara er den minst urbaniserte delen av verden, der hele 60 % av befolkningen lever utenfor byene. The United Nations Human Settlements Programme (UNHABITAT) definerer slum som et urbant område med mangel på sanitetsvesen, rent drikkevann, elektrisitet, dårlige hus, overbefolket og helsefarlige boforhold. 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 Behov Alternativene til belysning uten elektrisitet er mangelfulle. Spesielt for de områdene nær ekvator hvor solen går ned tidlig er dette et stort problem. Uten tilgang på elektrisitet blir parafinlamper benyttet til belysning [2]. Disse er dyre og gir svak belysning. Parafin er helsefarlig og vil medføre stor fare for lungekreft etter bruk over lengre perioder. I tillegg er parafinlamper i utgangspunktet veldig brannfarlige, og spesielt i utviklingsland hvor lampene ofte er selvlagde og parafinen uren. Uten elektrisitet blir skolene begrenset til å legge timeplanen til når det er dagslys. Kvaliteten på undervisningen kan bedres gjennom tilgang på pcer, internett og printere. Spesielt tilgang på pcer og internett vil gi lærere og elever tilgang på sterke læringsverktøy. Det er et stort problem med høyt sykefravær hos lærere, og fjernhjelp via internett vil kunne brukes til å løse dette problemet. Figur 1: Skoleelev med parafinlampe [4]. Antallet brukere av mobiltelefon har hatt en voldsom vekst i Afrika, og har i dag blitt en nødvendighet for mange. Ikke bare for privat bruk, men også i forbindelse med skole og arbeid. Innen helsevesenet vil mobiltelefonen gi tilgang til medisinsk kompetanse som kan redde liv. Det har også vært stor satsing på utvikling av læringsprogrammer til telefoner for å bedre skoleundervisningen. Bønder vil også ha nytte av tilgang på værmeldingen og prisene i markedet. Skal en mobiltelefon være tilgjengelig for enhver familie og arbeidsplass, er det ikke aktuelt å reise ut av landsbyen for å lade telefonen [3]. En sykestue eller en klinikk vil også kunne dra nytte av elektrisitet. Et av de største problemene 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 andre inngrep. Elektrisitet vil også gi tilgang på kjølerom til oppbevaring av vaksiner og blod. Urent vann er en av de største kildene til sykdom i Afrika sør for Sahara. Vann fra brønner gir tilgang til renere vann enn det man finner på bakkenivå. Ved å bruke elektriske pumper vil det tunge arbeidet fra mekaniske pumper bli spart samtidig som brønnene kan graves dypere for å nå bedre vannkilder. Automatiseringen av en elektrisk pumpe bidrar også til mindre forurensning i vannet som følger av kontakt med mennesker. 2.2 Eksempel forbruk Nicaragua Tabell 1: Viser elektrisitetsforbruket i kw for en landsby i Nicaragua målt av masterstudent Linn Solheim hos Ingeniører uten grenser (IUG). Bygning Maks Forbruk Timer i Innhold i bygningen forbruk i snitt bruk hver (kw) (kw) dag Bolig 0.37 0.2 14 Lys, telefonlader, radio Vannrensing 0.13 0.106 8 Vannfilter, lys Skolebygning 0.54 0.226 20 PCer, vifter, 1 lys, telefonla- Skolebygning 2 der 0.53 0.4 24 Prosjektor, kjøleskap Boligene i landsbyen i Nicaragua har et strømforbruk knyttet til lamper, mobiltelefonlader og radio. De to skolebyggene har tilsammen kontorer for lærere, datarom, bibliotek, soveplasser for gjester, kjøkken og møterom med prosjektor. I tillegg har landsbyen et bygg til vannrensing. Dataene i tabell 1 kan være en indikator for hvilket 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 utfordringer Innføringen av elektrisitet i landsbyen vil skape en del utfordringer og nye elementer for de menneskene som bor der. Det første som bør gjøres er å undersøke om befolkningen vil ha denne nye teknologien i sine liv. Hvis dette ikke er ønsket av befolkningen kan det bli veldig vanskelig og lykkes med prosjektet. Da burde man forklare hvordan livet vil forandres ved innføringen av elektristet. Kvinnene vil f.eks ikke trenge å bære vann over lange avstander hvis det innføres vannpumper i landsbyen. Dette sparer kvinnene for både fysisk arbeid og tid, og fører til at de kan bruke mer tid på skolen [5]. Et annet eksempel er fra vår samtale med Bjørn Thorud i Multiconsult. Han fortalte om et prosjekt i Afrika der det hadde blitt stjålet et solcellepanel, og det viste seg senere at dette ble benyttet som stuebord i en privat bolig. Denne episoden viser at det tekniske kunnskapsnivået i rurale områder kan være lavt, og at det er viktig å forklare hvorfor dette utstyret skal innføres der de bor og hva det skal brukes til. Det er viktig å involvere og høre på befolkningens meninger når det gjelder viktige spørsmål knyttet til utbyggingen. De besitter god kunnskap om området, og har egne meninger som bør tas hensyn til. Det er vesentlig at de som er ansvarlige for prosjektet reiser til området der de samtaler og intervjuer de lokale. Det er i tillegg viktig å følge opp kontakten med disse både underveis og etter fullføringen av prosjektet. Dersom de føler at de blir hørt vil det gi en personlig tilknytning til prosjektet, og bidra til at det blir vellykket [6]. Et annet tiltak er å gi innbyggerne en jobb i tilknytning til prosjektet. Et eksempel på dette er en rapport utarbeidet av Kirsten Ulsrud [6]. Prosjektet består i å innføre solkraft i en landsby i Kenya. De ansvarlige for prosjektet gir et utvalg av de som bor i landsbyen kurs i diverse emner, for at de skal kunne få en jobb tilknyttet til prosjektet. Dette er viktig for å gi befolkningen eierskap i prosjektet. Det er også helt essensielt med tanke på drifting og reparasjon. Lokale operatører står for den daglige driften, og er nødvendig for at anlegget skal fungere over lengre tid. De må ta alle kritiske avgjørelser hvis noe ikke fungerer som det skal. Batteribanken er spesielt utsatt hvis det foretas feil valg fordi det er den mest sårbare komponenten i systemet [5]. Den sosiale strukturen i området der mikrogriden skal bygges vil påvirke hvordan nettet blir brukt. På Zanzibar er det vanlig at mannen eier huset, og han betaler derfor for strømmen. Husholdningen har ofte ikke felles økonomi, og pengene mannen tjener kan han bruke på det han selv velger. Selv en del år etter at landsbyen i Zanzibar hadde fått strømtilknytning, var det få som hadde elkomfyr. En forklaring på dette kan være at mannen ikke hadde behov for elkomfyr når kvinner

3 Sosiale og økonomiske utfordringer 5 og barn kan finne gratis ved i skogen. Matlaging med elkomfyr fører imidlertid til en stor forbedring av levekårene til kvinner. Vedsanking tar opp veldig mye tid, og som kunne bli benyttet til utdanning eller jobb. Samtidig fører røyk fra vedfyringen til alvorlige luftveissykdommer hos kvinner og barn. 3.2 Økonomiske utfordringer 3.2.1 Økonomisk bærekraftighet og investering For at en storskala utrulling av mikrogrids for landsbyer skal kunne gjennomføres må det gjøres på en økonomisk lønnsom måte. Områder uten tilgang på elektrisitet, spesielt i form av et strømnett, vil dreie seg om fattige landsbyer. Det å skaffe kapital til både utbygging og drift vil derfor være et problem og en mulig hindring for en slik utrulling. For at et slikt prosjekt skal bli en suksess, er det viktig å undersøke om det er bærekraftig. E. Ilskog og B. Kjellström har sett på ulike prosjekter i Tanzania og vurdert bærekraftigheten deres [7]. De identifiserte fem områder som må være bærekraftige: teknologisk, økonomisk, sosialt økonomisk, miljømessig og institusjonelt. Teknologisk bærekraftighet er viktig for å opprettholde energiforsyningen i hele den økonomiske levetiden til investeringen. Økonomisk bærekraftighet er viktig for å sørge for og kunne tilby energiforsyning etter at den initielle finansieringen tar slutt. Sosial og etisk bærekraftighet sørger for en rettferdig fordeling av godene elektrifisering gir. Miljømessig bærekraftighet fokuserer på bevaring av naturlige ressurser, unngå ødeleggelse av miljøet og hindrer innendørs luftforurensing. Institusjonell bærekraftighet dreier seg om å sørge for at organisasjonen klarer å levere tilfredsstillende resultater på sikt. Ved å bruke disse målene på bærekraftighet ble det sett på ulike organisasjonsstrukturers mulighet for å overleve. De ulike formene for organisasjonsstruktur for et strømforsyningsselskap som E. Ilskog og B. Kjellström så på var store statlige nettselskaper, små statlige nettselskaper, lokalsamfunnsbaserte selskaper og private 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 til nyinvesteringer og vedlikehold av nettet. Dette til tross for at ingen av selskapene hadde kapitalkostnader fra den initielle investeringen. Dette medfører at for alle selskapene som ble sett på, er tilførsel av kapital fra myndigheter eller andre givere nødvendig for å opprettholde leveransen. Det betyr imidlertid at en ekstern organisasjon som går inn som giver kan stille krav til landsbyen. Det kan for eksempel være miljømessige og sosiale krav som må opprettholdes, for at landsbyen skal

3 Sosiale og økonomiske utfordringer 6 motta finansiering til utbygging og drift av strømnettet. Det er uheldig at ingen av selskapene klarte å være økonomisk selvstendige, men bistand til elektrifisering på denne måten kan bli en effektiv måte å løfte levestandarden i underutviklede områder på. Selv om rapporten til E. Ilskog og B. Kjellström viser at eksisterende sammenlignbare prosjekter ikke er lønnsomme, betyr ikke det at soldrevne mikrogrid vil være ulønnsomt i fremtiden. Ny teknologi overtar og gjør eksisterende teknologi billigere. Prisen på solcellepaneler har falt veldig de siste årene og kommer til å fortsette å gjøre det. Det vil føre til at oppstartskostnadene blir mindre og det vil være 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 økonomisk modell som sørger for tilstrekkelig innbetaling. Det er for å muliggjøre vedlikehold og oppgradering av systemet. Det er mange utfordringer knyttet til det å få til et velfungerende system. En viktig faktor må være at systemet må være lett å forstå og brukerne må føle at de får den varen de betaler for. Hvis dette ikke oppnås kan brukerne av nettet lett ty til tyveri av elektrisitet, eller avstå fra å betale for strømmen [9]. Tre mulige metoder for innbetaling fra kundene vil bli vurdert - fastpris, strømmåler og kontantkort. Ingen av løsningene er perfekte, og det er potensielt store utfordringer for alle disse systemene. 1. Fastpris Et system med fastpris er en rimelig måte å drifte et nett der forbruket er lite og stabilt over tid. Kundene betaler en tilknytningsavgift, og en periodisk avgift basert på hvor mange elektriske apparater de har. Et slikt system er brukt på et mikrogrid på Sunderban øyene i India [9]. Dette nettet var basert på solceller som ladet batterier som deretter skulle forsyne strøm til landsbyen i fem timer etter solnedgang. Et problem som etterhvert oppstod var at innbyggerne stadig koblet til nye apparater slik at forbruket økte. Det økte forbruket førte til at batteriet ble tømt fort, og innbyggerne ble raskt misfornøyd med nettet. Det resulterte i redusert betalingsvilje. Det viser hvor viktig det vil være at mikrogriden leverer et godt produkt som kunden synes det er greit å betale for. Da innbyggerne i landsbyen ble spurt om hva de mente var grunnen til at forsyningssikkerheten var så dårlig, var det kun noen få som mente at overforbruk var grunnen. 2. Strømmåler Betaling av strøm basert på målt energiforbruk er den vanligste måten å be-

3 Sosiale og økonomiske utfordringer 7 tale for strøm på. Tanja Winthers rapport om strømtyveri så på et strømnett av denne typen på øygruppa Zanzibar i Tanzania [9]. Et av problemene hos innbyggerne var å betale for en vare lenge etter at den var brukt. Denne typen kreditt vil være nytt for mennesker i rurale strøk. Hele konseptet med en juridisk bindene avtale mellom kunde og leverandør var nytt for de fleste. Det oppstod flere former for eltyveri i landsbyen. Et eksempel var at flere enn ett hus ble koblet til samme måler. Det ble betalt for energien som ble brukt betalt for, men tilkoblingsavgiften for tilleggshusene ble ikke betalt. Denne løsningen var særlig vanlig for menn som hadde flere koner, der konene bodde i hvert sitt hus. Eltyveri i form av at innbyggere koblet til last uten målere forekom også. Et annet problem var korrupsjon blant ansatte i nettselskapene. Korrupsjon i tillegg til dårlig tilrettelagt informasjon, førte til lav tiltro til systemet. Uriktig avlesning og målefeil er andre svakheter ved et slikt system. 3. Kontantkort En løsning basert på kontantkort for betaling av strøm blir her vurdert som den beste løsningen. Sharedsolar er en oraganisajon som ser på mulighetene for et slikt system [8]. Kontantkort kan fungere ved at kundene har en form for smarte målere som registrerer om kundene har betalt for strømmen. Mobiltelefoni har de siste årene blitt meget vanlig i mange områder i Afrika. Det gjør at forhåndsbetaling for en vare er en utbredt betalingsløsning. Systemet vil være forutsigbart, ved at innbyggerne vet hva de har betalt for, og gjør det vanskeligere å stjele strøm. En stor ulempe med smarte målere er at det vil være fordyrende å kreve mer infrastruktur for å organisere det. Systemet med smarte målere gir imidlertid gode muligheter for integrering av andre smarte løsninger. Dette kan f.eks være salg av strøm fra privatkunder. En felles suksessfaktor for alle innbetalingsmåtene som beskrevet er at produktet som leveres må ha høy kvalitet for å få kundene til å betale. Det vil være viktig at det ikke oppstår korrupsjon, og at innbyggerne ikke må betale for mer energi enn det de bruker. Informasjon tilpasset kunder med liten eller ingen erfaring med bruk av elektrisitet må gjøres tilgjengelig. Dette for at de skal forstå hva som skal til for at nettet fungerer.

4 Energikilder 8 4 Energikilder Denne delen av rapporten vil se på ulike energikilder for mikrogriden. Her vil kun de forskjellige energikildene bli presentert. I diskusjonen (kapittel 7) vil valget av energikilde bli begrunnet nærmere. Hvilke kilder som velges vil ha stor innvirkning på mikrogriden, så en gjennomgang av de ulike mulighetene er nødvendig. Det fokuseres på fornybare løsninger siden mikrogriden skal være fremtidsrettet og bærekraftig. 4.1 Fornybare energikilder 4.1.1 Vindkraft For å utnytte vind som energikilde kan det benyttes en vindturbin. Turbinen samler energien til vinden, og gjør den om til mekanisk energi i form av rotasjon av en aksling. En generator omgjør den mekaniske energien til elektrisk energi [11]. En stor utfordring med vindturbiner i rurale strøk er at det kreves en del arbeid med tanke på bygging og vedlikehold. Det kreves også utbygd infrastruktur for å frakte maskindelene til der turbinen skal installeres. Dette gjør vindkraft til en kostbar energikilde som krever teknisk kompetanse med tanke på vedlikehold. Kartlegging av vindstyrke i det aktuelle området er viktig. Turbinen krever en vindhastighet 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 igjen er koblet til en generator. Dermed blir den potensielle energien til vannet konvertert til elektrisk energi. Småskala vannkraftverk kan være en gunstig energikilde til mikrogrids i de rette områdene, og er kanskje ved siden av solkraft den fornybare energikilden som så langt har blitt utnyttet mest i Afrika [15]. I likhet med vindkraft kreves det noe infrastruktur for å frakte utstyr til aktuelle områder, men det finnes analyser som viser at småskala vannkraftverk er den mest økonomiske måten å elektrifisere store deler av Afrika sør for Sahara [12]. Selv om småskala vannkraftverk har fordelen av å yte god kapasitet for relativt små anlegg, er et slikt anlegg 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 fra solen til elektrisitet.

4 Energikilder 9 En måte å høste denne energien på er å benytte et termisk kraftverk. I et slikt kraftverk vil damp bli varmet opp med energi fra solen. Dampen får et høyt trykk og kan drives gjennom en turbin som er tilknyttet en generator, og elektrisk energi kan produseres. En stor fordel med et slikt system vil imidlertid være at det tillater lagring av energi slik at elektrisitetsproduksjonen kan fordeles over hele døgnet. Vi anser denne typen solkraftverk som for teknologisk avansert for den mikrogriden vi planlegger. Solceller er en annen måte å høste energi fra stråling fra solen. Solceller benytter den fotoelektriske effekten som oppstår når fotoner frigjør elektroner i metall. Solceller består av et materiale som kalles en halvleder, der den vanligste typen halvleder for bruk i solceller er multikrystallinsk silisium. Halvlederen blir bearbeidet på en slik måte at den klarer å omforme de frigjorte elektronene til en strøm i en leder. [19]. Flere solceller blir koblet sammen slik at de danner et solcellepanel. Spenningen over hver solcelle ligger typisk på 0.5 V - 0.6 V, og flere solceller kobles i serie for å oppnå en høyere spenning. For mindre systemer er det vanlig med en konfigurasjon som gir en spenning på 12 V. Hvis man ser bort i fra virkningsgrad er det antallet solceller i panelet som bestemmer hvor stor effekt panelet er designet for å yte. Ytelsen til et panel kan selvfølgelig variere veldig mye avhengig av hva panelet skal brukes til, men typiske verdier for effekten er 50-300 W. Virkningsgraden for solceller som benyttes til elektrisitetsproduksjon for husstander ligger i dag på ca 15 % [17]. En maximum power point tracker (MPPT) brukes for å operere panelet under ideelle betingelser. Det er en modul som ut fra produsentens data om panelet og målte verdier, beregner hva som er optimal spenning for panelet. Siden MPPTen har en DC-DC konverter kan panelet opereres under ideelle betingelser, samtidig som nettet eller batteriet den er koblet til mottar en fast spenning [18]. Når solcellepanelet skal kobles til et batteri brukes det ofte en komponent som inneholder både MPPT og lader, men hvis panelet skal kobles til et vanlig strømnett må denne komponenten også inneholde en vekselretter. Solcellepaneler er en ganske dyr komponent, så det er viktig å bruke panelet riktig for å få mest mulig energi ut av investeringen. Det er blant annet viktig at solcellepanelet monteres i riktig vinkel i forhold til solen slik at den fanger mest mulig energi. Panelene kan monteres på en to-akset solfølger som sørger for at panelene til enhver tid står i en optimal vinkel i forhold til solen. Ved bruk av et slikt system kan man samle opptil 40% mer energi fra solen i løpet av et år [18]. Et slikt system vil 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 prosess. 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 kjemiske materialet lagret, skjer energiproduksjonen i en brenselcelle ved kontinuerlig tilførsel av hydrogen ved anoden og oksygen ved katoden. Hydrogenatomene vil ioniseres gjennom en kjemisk prosess som frigjør elektroner. Disse elektronene vil gi en elektrisk strøm. Hydrogenionet vil gå gjennom elektrolytten fra anoden til katoden og vil der reagere med tilført oksygen og de frigjorte elektronene igjen for å produsere vann. Brenselcellen vil produsere elektrisitet så lenge den tilføres hydrogen 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 brenselceller, men disse er mest vanlig. Dette er i hovedsak fordi det eneste biproduktet er vann og noe varme, slik at det ikke forurenser [20], men også fordi hydrogen ikke er et giftig stoff [21]. En brenselcelle fungerer som en uavhengig enhet og vil derfor være relevant som sekundær energikilde som kan brukes ved feil i hovedkilden i et elektrisk nett [22]. Problemet med brenselceller tidligere har vært at de er store konstruksjoner og svært dyre å produsere, akkurat som mobiltelefonen og datamaskinen var da de ble introdusert. Men som disse er brenselcellen blitt stadig mer kompakt og billigere i produksjonen.

4 Energikilder 11 4.2 Ikke-fornybare energikilder 4.2.1 Diesel Off-grid-systemer basert på dieselaggregat er svært utbredt i øysamfunn og andre avsidesliggende steder [13]. Det kan benyttes som primær kraftkilde eller som backup i et hybrid system, der dieselaggregatet er kombinert med en fornybar energikilde som vind- eller solkraft. I samfunn der kraftsystemet er basert på diesel, vil det være kostnader relatert til transport og lagring. Det vil også være usikkerhet med tanke på prisen på drivstoff. Siden 1950-tallet og utover har frittstående dieselsystemer, sammen med utvidelse av sentraliserte grid, vært den teknologien som har dominert elektrifiseringen av rurale områder i Afrika [12]. For en avsidesliggende landsby i Afrika vil et system basert på diesel først og fremst by på utfordringer relatert til kostnader og logistikk. Landsbyen vil være avhengig av å få transportert inn kostbart drivstoff, og vil trolig trenge ekstern hjelp hvis aggregatet har behov for service. Dieselaggregat er en pålitelig energikilde som er godt forankret i industrien med gode muligheter for service og reservedeler.

5 Energilagring 12 5 Energilagring 5.1 Batterier som energilager Den vanligste måten å lagre elektrisk energi på er ved bruk av batterier. Den mengden 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. Batteritypen som blir brukt til energilagring er blybatterier (Lead-acid). Grunnen til dette er at de er billige, og passer til bruk i store sykluser [24]. Oppbyggingen er vist i figur 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 levetid på batterier er rundt 2000 sykluser, eller ca 7-10 år. Hvis man skal bruke batterier i en mikrogrid som et energilager, er det viktig å tenke på hva energibehovet for nettet er og hvor lenge batteriene skal levere energi. 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. Man trenger derfor en omformer som kan gjøre likestrøm om til vekselstrøm, hvis batteriene står i et vekselstrømsnett. Batterier blir styrt av spenningen som tilsier at omformeren bestemmer om batteriene skal levere eller lagre strøm. Et mulig oppsett på en batteribank er vist i figur 4. Fire battericeller er koblet i serie på hver sin parallelle grein. Spenningen (V) på dette systemet er bestemt av hvor mange battericeller som er koblet i serie i hver parallelle grein. Figur 4: Batteribank

5 Energilagring 13 5.2 Mekanisk energilagring 5.2.1 Komprimert luft Komprimert luft kan brukes som energilager. Metoden går ut på å sprøyte komprimert 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 generator. Energilageret vil kunne fylles da det er mye sol, og brukes i periodene med mangel. Det negative med komprimert luft som energilager, er høy kostnad og lav virkningsgrad. Det er nødvendig å bruke lageret kort tid etter påfylling for at det skal være effektivt [25, 26]. 5.2.2 Svinghjul Et svinghjul fungerer ved at man spinner opp en sylinderformet skive med stor treghet. 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 når de aktiveres. Det er viktig med lav friksjon i svinghjulet for at energien skal lagres uten store tap, men selv med liten friksjon vil det alltid være tap. [27, 28].

6 Styring og regulering 14 6 Styring og regulering En viktig komponent i mikrogriden er kontrollsystemet som styrer, regulerer og overvåker kraftproduksjonen. En mikrogrid vil ha andre utfordringer knyttet til styring og regulering enn et konvensjonelt/sentralisert kraftsystem. Disse utfordringene er i stor grad knyttet til kravene for fleksibilitet. Dette gjelder ulike typer kraftkilder, behovet for enkel utvidelse plug and play og eventuell inn- og utkobling av mikrogriden mot et sentralt kraftnett [29]. Et kontrollsystem beregnet på 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 regulering av mikrogrids, fra blant andre ABB [38], Siemens [39], Toshiba [40] og SMA [41]. 6.1 Utfordringer knyttet til kontroll av mikrogrids Det finnes en rekke utfordringer når det kommer til styring og regulering av mikrogrids, spesielt for applikasjoner i avsidesliggende områder. Her nevnes noen kjente utfordringer: En mikrogrid inneholder ingen kraftkilder med treghet som kan ta opp plutselige lastøkninger [29]. Konvensjonelle kraftnett med store generatorer inneholder tunge roterende masser med stor treghet, som vil kunne ta opp endringer i last uten nevneverdige problemer. En mikrogrid (som ikke er koblet til et sentralt nett) inneholder ingen slik treghet. Dermed er den helt avhengig av energilagring i form av f.eks. et batteri. Dette kan ta opp lastendringen inntil kraftkildene i mikrogriden kan respondere til det økte kraftbehovet. 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 kortslutningsstrøm) fungerer ikke nødvendigvis for en mikrogrid. Dette er fordi strømmene som oppstår ved en feil i griden ikke nødvendigvis er mange ganger større en ved normal operasjon, og det blir dermed vanskelig å detektere feil. Utfordringer knyttet til eventuell inn- og utkobling av mikrogriden mot et sentralt kraftnett. Utfordringer knyttet til betjening og vedlikehold i avsidesliggende områder.

6 Styring og regulering 15 6.2 Topologi Det finnes ulike topologier og nyanser for hvordan et kontrollsystem for en mikrogrid kan se ut, og det finnes mange eksempler på ulike implementasjoner rundt om i verden [30, 34]. Sentralt for alle de ulike konseptene er utstrakt bruk av kraftelektronikk for å fasilitere grensesnittet mellom de ulike kraftkildene og busen. Det er også bruken av kraftelektronikk som gjør det mulig å implementere mikrogrids med bustyper skreddersydd applikasjonen (AC, DC, ulike spenningsnivå) [31]. Et eksempel på hvordan kontrollsystemet til en mikrogrid kan se ut er vist i figur 5. Generelt kan det sies at et kontrollsystem for en mikrogrid vil inneholde fire nøkkelelementer: 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 kraftkilde. MC ene bruker kun lokale målinger av spenning og strøm for og raskt kunne regulere effektflyten, og er dermed ikke avhengig av å kommunisere med andre