Обеспечение доступа населения развивающихся стран Юго-Восточной Азии, Африки и Южной Америки к дешевому, надежному и качественному электроснабжению является одной из наиболее масштабных задач в сфере мировой энергетики. На сегодняшний день более 900 млн жителей этих регионов не имеют такого доступа. В июньском номере журнала IEEE Electrification (V. 11, № 2 за 2023 год) опубликована статья, посвященая новой модели электрификации сельских районов на острове Мадагаскар (авторы – Лукас Ришар, Николя Сэнси, Нольвенн Ле Со, Дэвид Фрей, Мари-Сесиль Альварес-Эро и Бертран Рэйсон).
Несмотря на высокие темпы электрификации Африки (в период с 2014 по 2019 годы доступ к электричеству ежегодно получали 20 миллионов новых абонентов), эти улучшения касаются, в основном, городских и пригородных районов некоторых стран Северной, Восточной и Западной Африки. В прочих районах Африки, особенно в сельской местности и к югу от Сахары, до сих пор не имеют доступа к стабильному электроснабжению более 770 млн человек.
Традиционные сетевые решения не в состоянии снять эту проблему, поскольку требуют строительства дорогостоящей инфраструктуры производства и распределения электроэнергии. Многие домохозяйства, даже находящиеся рядом с централизованными сетями, не всегда могут оплатить подключение и покупать электроэнергию.
Микрогриды экономически жизнеспособны только для густонаселенных деревень с 300–500 домохозяйствами и нуждаются в стабильной и финансово поддерживающей институциональной среде, но многие районы Африки этим условиям не соответствуют. Кроме того, микрогриды требуют существенных первоначальных затрат на установку, которые трудно окупить, а после нескольких лет эксплуатации они перестают удовлетворять растущие потребности поселений. Учитывая высокую капиталоемкость сетей и микрогридов, подобные проекты по силам только иностранным компаниям, положительное влияние которых на местную экономику весьма ограничено.
Еще одним способом электрификации отдаленных поселений в Африке считаются домашние солнечные панели, но они удовлетворяют только низкое энергопотребление и имеют короткий ожидаемый срок эксплуатации в 3-4 года. Они технически уязвимы и экономически неэффективны из-за необходимости частых замен оборудования. Кроме того, потребители страдают от краж и поломок, а власти – от необходимости утилизировать отработавшие панели.
По мнению авторов, ситуация в Африке требует применения новой модели электрификации, которая сочетает быстрый, экономически эффективный доступ к основным услугам электроснабжения для большинства неэлектрифицированных поселений и поддержку их социально-экономического развития.
Французско-малагасийская социальная компания Nanoé предлагает модель «горизонтальной» электрификации: это концепция строительства интеллектуальных электросетей «снизу вверх» на основе возобновляемых источников энергии, цифровых технологий и местного предпринимательства.
Технология
Основой технологической инфраструктуры электрификации в новой модели являются базовые интеллектуальные энергоблоки (наногриды), обеспечивающих генерацию, хранение и распределение солнечной энергии. Они представляют собой расширяемые коллективные солнечные системы, поставляющие энергию постоянного тока соседним домохозяйствам, коммерческим или общественным пользователям. Наногрид состоит из солнечной панели, ШИМ-регулятора, свинцово-кислотной аккумуляторной батареи и контроллера для мониторинга и управления потреблением от четырех до шести домов.
За 4 года Nanoé установила на севере Мадагаскара более 1500 наногридов, к концу 2024 года ожидается установка уже 10 000 наногридов. Между соглашением с пользователем и установкой в среднем проходит две недели. Время установки составляет всего два человеко-дня работы, включая время на дорогу.
Работу наногридов обеспечивает интеллектуальный контроллер, отвечающий за мониторинг и контроль потребляемой мощности и энергии, управление системой мобильных платежей, предотвращение мошенничества, а также поддержание баланса потребления и производства. В памяти контроллера фиксируются данные о потреблении каждого из пользователей, на основе которых оператор может прогнозировать изменения платы за обслуживание.
Когда в поселении достигается критическая плотность наногридов, они объединяются в микрогрид, охватывающий всю деревню и способный поставлять энергию для холодильного, насосного и сельскохозяйственного оборудования общего пользования. Этот шаг обеспечивается «модулем взаимосвязи», который состоит из двунаправленного преобразователя постоянного тока, отвечающего за обмен энергией, и карты-чипа, управляющей преобразователем, записью данных и пользовательским интерфейсом.
Модуль взаимосвязи соединяет наногриды в микрогрид через шину постоянного тока 72 В и контролирует распределение энергии на основе децентрализованного алгоритма, работающего независимо от наличия связи, что позволяет использовать его даже в областях, в которых мобильная связь отсутствует или ненадежна.
Предлагаемая схема электрификации может расширяться по мере роста потребностей поселений. Для оператора сети инвестиционный риск снижается за счет разбиения капитальных затрат на небольшие инвестиции с короткими сроками окупаемости. Гибкость микрогрида позволяет оптимизировать мощности в зависимости от баланса производства и потребления.
Последним шагом строительства электрической инфраструктуры является соединение микрогридов друг с другом или их подключение к национальной или местной электросети, что позволит поселению поставлять энергию для промышленного и бытового использования.
На практике пока только отработаны технологии создания наногридов и их объединения в микрогриды.
Организация
Модель опирается на горизонтальную организацию мелких местных предпринимателей, хорошо знающих ситуацию в своих деревнях, и позволяет им развивать собственный бизнес, электрифицируя тысячи отдаленных деревень по всей стране, чего оператор централизованного электроснабжения обеспечить не может. Для местных предпринимателей, желающих стать участниками энергетического перехода, Nanoé предлагает бесплатное 4-месячное обучение.
Бизнес-модель «горизонтальной электрификации» основана на гибридном коммерческом предложении с первоначальной платой за устройство и последующей платой за обслуживание. Локальный оператор является одновременно производителем электроэнергии, оператором сети, поставщиком бытовой техники и домашней электроники. Вертикальная интеграция позволяет ему получать достаточные доходы от своей деятельности и снизить общую стоимость энергетической услуги.
Оператор продает клиентам бытовую электротехнику, устанавливает и обслуживает её. После установки и подключения каждый клиент платит ежедневную плату за электропитание. Клиентам предлагается семь уровней подписки с различными лимитами мощности и ежедневного потребления электроэнергии, от базового освещения до мультимедиа. Большинство клиентов выбирают подписку с низким энергопотреблением с двумя или тремя светодиодами и зарядкой через USB, но растет спрос на мультимедийные услуги и даже кондиционирование. Оплата происходит через мобильное приложение. День электроснабжения засчитывается при работе приборов более пяти минут в сутки.
Такая тарифная структура дает много преимуществ. Клиенты платят только за те дни, когда потребляют электричество. Первоначальная плата за устройство позволяет оператору оценить мотивацию и финансовое состояние пользователей, что позволяет избегать затрат на установку неиспользуемых наногридов. Пользователи могут увеличить свою подписку на услуги в любое время, а оператор электроснабжения гарантирует при необходимости добавление или замену фотоэлектрических панелей и батарей.
Пока распространению нового подхода препятствует установка правительств ряда африканских государств на привлечение к строительству сельских микрогридов крупных инвесторов, которым предоставляются целевые гранты и льготы по некоторым значимым налогам. Такая политика негативно сказывается на экономике небогатых стран региона и усложняет жизнь их государственным органам, которые часто не имеют ни ресурсов, ни компетенций для администрирования подобных проектов.
Новая модель, по убеждению авторов, лишена этих недостатков: она обеспечивает быструю и устойчивую электрификации сельских районов, снижает потребность в государственном планировании развития энергетической инфраструктуры, а также способствует росту занятости и квалификации местного населения силами частного сектора, не требуя при этом больших затрат государственных ресурсов.
***
Описанный в статье подход вплоть до некоторых архитектурно-технических решений, таких как двунаправленные силовые преобразователи для соединения наногридов, совпадает с положениями архитектуры распределенного Интернета энергии IDEA, разработанной в рамках проекта НТИ командой АНО «Центр энергетических систем будущего «Энерджинет». Более того, совместно с МФТИ, МЭИ и технологическими компаниями был создан экспериментальный стенд – демонстрационный образец Интернета энергии, обеспечивающий объединение на основе сети постоянного тока различных источников энергии, таких как солнечные панели и дизельные генераторы, с нагрузками и системами накопления электроэнергии. На стенде отрабатывалась plug-and-play логика построения сети просьюмеров, обеспечивающая инкрементальный ввод новых генерирующих мощностей и подключение новых абонентов.
В статье представлена упрощенная реализация данного подхода для обеспечения мелких, распределенных, некритичных нагрузок. В частности, на практике еще не отработана интеграция микрогридов между собой и с внешней сетью. И все же коллег можно поздравить с практической реализацией Интернета энергии.
Подробнее читайте исходную статью в IEEE Electrification (т. 11, № 2 за 2023 год).
Подготовлено АНО «Центр «Энерджинет» при поддержке Фонда НТИ и Минобрнауки России