Mini-grid

Ett mininät är en samling av laster och en eller flera energikällor som fungerar som ett enda system som tillhandahåller elektrisk kraft och eventuellt värme isolerade från ett huvudnät. Ett modernt mininät kan innefatta förnybar och fossilbränslebaserad produktion, energilagring och lastkontroll. Ett mininät kan vara helt isolerat från huvudnätet ( synkront nät med stort område ) eller kopplas samman med det. Om den är sammankopplad med huvudnätet måste den också kunna isoleras (”ö”) från huvudnätet och fortsätta att betjäna sina kunder samtidigt som den arbetar i en ö eller autonomt läge. Mininät används som en kostnadseffektiv lösning för att elektrifiera landsbygdssamhällen där en nätanslutning är utmanande vad gäller överföring och kostnad för slutanvändarnas befolkningstäthet, med mininät som ofta används för att elektrifiera landsbygdssamhällen med hundra eller fler hushåll som är 10 km eller mer från stamnätet.

Minigrids och microgrids liknar varandra, och termerna används ibland som synonymer. Både mikronät och mininät inkluderar produktion och distribution, och inkluderar i allmänhet ellagring i form av elektrokemiska batterier. Båda kan ”ö” i händelse av strömavbrott eller annan störning eller – vanligt i mininät – i det fall de aldrig var anslutna till stamnätet i första hand. I praktiken används termen "minigrid" mer i ett sammanhang som är vanligt i låg- och medelinkomstländer som tillhandahåller el till samhällen som tidigare var oelektrifierade, eller ibland används för att tillhandahålla pålitlig el i områden där det nationella nätet finns men där elektriciteten är sporadisk; i Afrika söder om Sahara rapporterade mer än hälften av hushållen anslutna till stamnätet att de fick el mindre än hälften av tiden. African Mini Grid Developers Association (AMDA) rapporterar att drifttiderna för minigrids för sina medlemmar för vilka data fanns tillgänglig i genomsnitt var 99 % i länderna. Däremot används termen "microgrid" mer i högre inkomstländer för att hänvisa till system som ger mycket höga nivåer av tillförlitlighet (till exempel "fem nior" eller 99,999 %) för kritiska belastningar som datacenter, sjukhus, företagscampus eller militärbaser i allmänhet i tjänsteområden som redan har höga nivåer av tillförlitlighet (t.ex. "tre nior" eller 99,9 % tillförlitlighet) enligt globala standarder.

Bakgrund

Historia

Elnäten i många utvecklade höginkomstländer började en gång som mininät. Dessa isolerade elsystem kopplades sedan ihop och integrerades i ett större nät. Denna första generation av mininät var avgörande för den tidiga utvecklingen och industrialiseringen av de flesta moderna ekonomier, inklusive Brasilien, Kina, Danmark, Italien, Nederländerna, Spanien, Sverige, Storbritannien och USA. Minigridsystem som introducerades i slutet av artonhundratalet och början av nittonhundratalet kan beskrivas som den första generationen minigrid. Från och med 1980-talet och under 1990-talet och början av 2000-talet, användes en andra generation av mininät på tiotusentals i många låginkomstländer. Dessa system är vanligtvis små och isolerade, drivs av diesel eller vattenkraft, och byggda av lokala samhällen eller entreprenörer främst för att ge hushåll på landsbygden tillgång till elektricitet, särskilt i områden som ännu inte betjänas av stamnätet. Många av dessa system blev omkörda av de nationella näten. Några som fortfarande existerar är nu främsta kandidater för hybridisering med solcellssystem (PV) för att minska bränslekostnaden.

Elektrifiering på landsbygden

Elförbrukning per land i miljoner kWh, från CIA Factbook, tillgänglig april 2006

Många landsbygdssamhällen förblir isolerade från större, traditionella nät på grund av geografiska och ekonomiska begränsningar. Elektrifieringen av den globala landsbygdsbefolkningen utanför nätet är fortfarande en viktig uppgift för många utvecklings- och utvecklade länder, och enligt International Energy Agency i 2013 World Energy Outlook representerar mininät det mest kostnadseffektiva sättet att ge universell tillgång till elektricitet till dessa populationer. På grund av nya tekniska innovationer som har resulterat i sjunkande kostnader både för mininät och energikällor, särskilt sol- och vindkraft, har mininät potential att elektrifiera avlägsna områden som annars skulle stå utanför en nätanslutning. Mininät är en kostnadseffektiv och läglig lösning för mer isolerade områden där anslutning till elnätet inte är tillgänglig, och utgör ett praktiskt alternativ för att möta energibehovet i Afrika söder om Sahara, Syd- och Östasien och Small Island Utvecklingsstater.

Miljontals människor är fortfarande utan tillgång till el idag, och FN:s mål för hållbar utveckling förbinder det globala samfundet att tillhandahålla en lösning. Kartan till höger visar energiskillnader mellan utvecklade länder som USA, Kina och Europa medan Sydamerika, Afrika och Sydostasien fortfarande har många samhällen som saknar pålitlig, hållbar och prisvärd energi. Minigrid ses för närvarande som en av de mest effektiva lösningarna för att föra energi till landsbygdsbefolkningar där energibehovet är sådant att individuella fristående system som nano-grid är opraktiska men där befolkningen är tillräckligt stor för att kräva en större rutsystem. Eftersom ett nät måste balansera tillgången på energi med efterfrågan, möjliggör mininätets större storlek och flexibilitet säkrare och mer överkomlig kraft.

Tekniska komponenter

Generation

En viktig komponent i ett elsystem med mininät är en pålitlig energikälla på plats. Traditionell generering av mininät för avlägsna områden kom från dieselmotorers generatorer, som medför höga driftskostnader, låg effektivitet och högt underhåll. För att erhålla tillförlitligheten hos ett fossilbränsledrivet nät med större hållbarhet, kan hybridenergisystem användas för att integrera förnybar energiteknik med dieselgeneratorer, batterier och växelriktare. Det största problemet med produktion är fluktuationen i lastbehovet som ställer olika effektkrav från produktionssystemet. Dessa fluktuationer kan variera under en enda dag, från dag till dag, eller till och med på skalan från veckor till månader, vilket kräver flexibel generering av mininät. I fallet med begränsad elproduktion utan en källa för energilagring kan toppbelastningar kräva mer kraft än vad mininätsgenereringen kan leverera, vilket resulterar i strömavbrott eller strömavbrott .

Energikällor

Det finns en mängd olika energikällor för att tillhandahålla ström på sidan till ett mininätsystem. Den senaste tidens utveckling av förnybara energikällor är ett lukrativt alternativ på grund av de låga kostnaderna och den hållbara ekonomiska och miljömässiga naturen. Som ett exempel minskade energikostnaden för solceller från $4/W till $0,55–0,65$/W mellan 2007 och 2016.

Hybridkraftsystem som kombinerar vindkraft, solenergi och konventionell dieselproduktion med energilagring.

Vanliga källor för generering av mininät

• Solceller
• Vindkraft
• Vattenkraft
• Biomassa
• Traditionella bränslegeneratorer
• Hybridsystem
• Marin energi

Energilagring

På grund av den intermittenta naturen hos förnybara energikällor krävs generatorer, bränsleceller eller batterier för att säkerställa tillförlitligheten hos Mini-grid Renewable Energy Systems (MRES). Annars upplever samhällen som förlitar sig på realtidsproduktion strömavbrott när förnybar produktion inte är möjlig. På grund av fluktuationer i lastbehovet måste energilagringssystemet kunna möta toppbehovet, vilket kan medföra stora och dyra batteri- eller bränslecellssystem. För att balansera kostnad med hållbarhet kan energilagring kombineras med dieselkraft och introduceras till ett mininät i ett serie- eller switchat hybridsystem.

Hybridsystem

Hybrid mininätsystem är ett populärt alternativ för att säkerställa mininättillförlitlighet, särskilt när man överväger förnybara energikällor. Ett hybridt mininät identifieras av diversifierade distribuerade energiresurser (DER), där energiproduktionen kommer från en mängd olika källor såsom solcells-PV, mikro-vattenkraftverk, vindturbiner, biomassa och små konventionella generatorer.

Seriehybridsystem har både en förnybar energikälla och en dieselgenerator som används tillsammans för att upprätthålla laddningen av en batteribank, som sedan omvandlas till AC och matas till lasten. Detta system möjliggör enkel implementering, men har låg effektivitet och kräver stor batterikapacitet. Däremot möjliggör switchade hybridsystem förnybar energi plus lagring för att försörja baslastkraften medan dieselgeneratorn hjälper till att möta toppenergibehovet .

Distribution

Ett distributionssystem för mininät transporterar energin som produceras av produktionskällan till slutanvändarna. Den består av transmissionsledningar , transformatorer och den infrastruktur som krävs för att möjliggöra säker och effektiv energidistribution. Beroende på belastningskraven kan ett distributionssystem vara i AC eller DC en- eller trefaseffekt . AC har många fördelar, eftersom det möjliggör effektiv elöverföring över avstånd, uppfyller kraven för konsumentapparater och används mer allmänt. AC kräver dock också transformatorer för att minska kostnaderna för högspänningsdistributionsnätet och minska systemförlusterna, men är också i allmänhet dyrare än DC på grund av den förbättrade kraftelektroniken.

Unionens maktminister, Shri Sushil Kumar Shinde, talar vid idrifttagandet av Smart Mini-Grid Project, i Gual Pahari, Dist. Gurgaon, Haryana den 1 juli 2011.

Smart Mini-grid

Ett Smart Mini-Grid (SMG) är ett intelligent eldistributionsnät som hanterar de olika tekniska komponenterna i ett mininätsystem. Ofta i kombination med hybridkraftgenerering, fungerar det smarta mininätet med hjälp av smarta kontroller och avancerade styrtekniker, som tar emot olika energikällor, energilagring och distribution. Det smarta mininätet förlitar sig på ett ledningssystem som möjliggör mätning, övervakning och kontroll av elektriska belastningar och kan kopplas till automation för att möjliggöra fjärrstyrning, smart mätning, belastningsavlastning och optimerad prestanda. En annan nyckelkomponent är självläkning, eller förmågan för det smarta mininätet att upptäcka, reagera och återställa sig själv omedelbart vid störningar eller förändringar i systemet.

Fördelar

Det finns många potentiella fördelar med mininät, allt från tekniska och miljömässiga till sociala och ekonomiska fördelar. Mininät kan användas på landsbygden och är ofta mer effektiva och kostnadseffektiva än andra typer av kraftsystem. De kan också stärka samhället samtidigt som de påverkar miljön mindre.

Tekniska fördelar

Tekniken som används i mininät ger olika fördelar. Minigrids är relativt snabba och enkla att implementera i områden utan el. De kan också användas för att förbättra befintliga elnät som är ineffektiva eller opålitliga genom att tillhandahålla extra ström eller genom att ersätta dem helt. Mininät är också mer effektiva eftersom de kan ge låg belastning på natten när det behövs mindre el. Till skillnad från konventionell energiproduktion minskar mininät den energi som går förlorad på natten när mindre energi krävs av samhället. Större elsystem som dieselgeneratorer kan inte erbjuda detta eftersom de är ineffektiva vid låga belastningar och oftast fortsätter att arbeta med högre belastningar oavsett mängden el som behövs. Användningen av mininät minskar också den tid generatorerna körs vid låga belastningar, vilket ökar effektiviteten i hela systemet.

En ytterligare fördel med mininät ger är att de inte kräver en traditionell bränslekälla som många större elnät gör. Detta innebär att de enkelt kan implementeras i områden utan tillgång till diesel eller andra fossila bränslen. Detta minskar driftskostnaderna och beroendet av ofta fluktuerande bränslepriser. Mininät kräver också mindre underhåll än större elnät. Eftersom de minskar antalet timmar som dieselgeneratorer används vid låg belastning, håller generatorerna längre och behöver inte bytas ut lika ofta. På grund av landsbygden där mininät vanligtvis används, finns det ofta liten tillgång till förnödenheter eller tekniker om systemunderhåll behövs.

Ekonomiska fördelar

Förutom de reducerade bränslekostnaderna erbjuder mininäten andra ekonomiska fördelar. Mininät kan drivas av en kombination av energikällor, vilket innebär att de har en lägre utjämnad kostnad för el . Mini-grids kan också sprida elektrisk lagring över många användare vilket minskar kostnaderna jämfört med off-grid eller solcellshemsystem där elektrisk lagring är koncentrerad till ett område. Mininät är också mer lönsamma än andra typer av elnät. På grund av deras förbättrade eltjänster och minskade fel som strömavbrott, är kunderna mer nöjda överlag och därmed villiga att betala för de tjänster som mininät tillhandahåller, vilket leder till ökade intäkter.

Solpaneler används ofta i mininät för att minska behovet av dieselgeneratorer.

Miljöfördelar

Minigaller är mycket mer miljövänliga än andra typer av galler. Eftersom de minskar behovet av dieselgeneratorer, minskar utsläppen av växthusgaser kraftigt. Detta förbättrar också luft- och bullerföroreningarna i de områden som mininät används.

Sociala fördelar

Utöver sina tekniska och ekonomiska fördelar gynnar mininät också de människor och samhällen de betjänar. För att många företag och organisationer ska fungera måste de ha fungerande och effektiv el. Mininät tillhandahåller nödvändiga tjänster för att företag ska lyckas med att utveckla områden. Detta leder till att det skapas fler jobb och ökade inkomster för samhället. Förbättrad el kan också gynna sjukvårdsteknik och institutioner i områdena och leda till en högre levnadsstandard. El-mininäten ger också fler möjligheter till sociala sammankomster och evenemang som stärker samhället. Förbättrad el skapar också möjlighet att bygga fler byggnader och utöka samhället.

Risker

Även om mininät har många fördelar, finns det också några nackdelar. Det finns vissa risker förknippade med deras teknik och organisation samt risker för samhället de är implementerade i.

Tekniska risker

En av de största tekniska riskerna med mininät är belastningsosäkerheten. Det är ofta svårt att uppskatta laststorlek, tillväxt och tidsplan vilket kan leda till att systemet körs med lägre effektivitet och högre kostnad. Det är också svårt att stödja laster som ständigt förändras över tiden, vilket de vanligtvis är när man använder minigrids. Det finns också en risk för strömkvaliteten vid användning av mininät. Att integrera solceller och batterier kan vara störande för det befintliga nätet och kan göra att det blir instabilt. En annan teknisk nackdel med att använda mininät är att fel på hårdvara i en del av nätet kan påverka hela systemet. Om en sektion om gallret är skadat, kan resten av gallret också misslyckas. Detta är en risk som finns med alla typer av nät, men de regioner där mininät vanligtvis används är fattiga landsbygdsområden med mindre tillgång till underhållstjänster så effekterna förvärras. Även om de är användbara för energilagring, har batterierna som används i mininät också sina egna risker. De är vanligtvis dyra och när de åldras har de stor inverkan på energin som tillförs nätet. Om batterierna inte byts ut vid rätt tidpunkt kan energin från hela nätet minska.

De flesta områden där mininät används är landsbygden och har liten tillgång till förnödenheter.

Organisatoriska risker

På grund av deras komplexa natur finns det några organisatoriska risker förknippade med att använda mininät. För att vara effektiva måste mininät ha effektiva affärsmodeller för att stödja sin verksamhet. Det måste finnas ett jämnt flöde av intäkter för att hålla verksamheten igång och för att kunna fortsätta att förse kunderna med el. På grund av de avlägsna och underutvecklade platserna där mininät vanligtvis implementeras, är det svårt att transportera förnödenheter och kunnig personal till de områden de behövs. Det är särskilt svårt vid installation av systemet och när reparationer behövs.

Sociala risker

Att implementera ett mininät i ett samhälle kräver noggrann planering och samarbete mellan människorna som bor i området samt teknikerna som installerar enheterna. Det måste också finnas kommunikation mellan samhället när det gäller tilldelade energikvoter. Varje användare tilldelas vanligtvis en energikvot som ska användas under en viss tid. Om vissa användare överkonsumerar elen, lämnar detta ett underskott för de andra användarna och kan störa hela systemet. Samhället måste samarbeta för att mininätet ska fungera framgångsrikt.

Ekonomi

Mininät ger samhällen en pålitlig energikälla samt många fördelar för deras ekonomi. Det är ofta för dyrt för statliga elbolag att försöka få el till outbyggda områden, och det finns mindre vinstpotential i dessa områden med dålig ekonomi. Eftersom mininät kan fungera separat från de större nationella näten kan privata företag implementera dem och förse landsbygdssamhällen med el snabbare än statligt ägda företag.

När det gäller marknadens storlek uppskattar konsultföretaget Infinergia att det finns cirka 2 000 solcellsmininät installerade i Afrika under 2018, och förväntar sig att de ska nå 16 000 år 2023. Likaså uppskattar analytikern 5 000 av dem i Asien under 2018, och förväntar sig att de når 15 000 till 2023.

Fallstudie

En fallstudie utförd i Leh-distriktet i Indien visar effekterna av mininät på ekonomin. Eftersom driftskostnaderna för mininät är lägre än för diesel- och vattenkraftverk, kan företagen som driver dem få in mer intäkter. Denna ökning av intäkterna innebär att företagen kan höja lönerna för sina anställda. I sin tur kan arbetarna spendera mer i de lokala företagen och ekonomin tillåts växa. Dessutom ger mininät möjligheter för den lokala ekonomin att växa och förbättras. Företag kan tillhandahålla fler och bättre tjänster med förbättrad el och utöka sina organisationer.