Giải pháp thay thế đầu tiên cho lưới điện mini và hệ thống nhà năng lượng mặt trời để điện khí hóa nông thôn
Bất chấp những tiến bộ trong công nghệ sản xuất và lưu trữ điện, việc đưa điện đến những nơi xa xôi nhất trên toàn cầu vẫn là một vấn đề nan giải do những khó khăn trong việc phân phối không chỉ điện năng mà còn của chính các công nghệ điện năng. Ở những khu vực mà điều kiện kinh tế, địa hình và thời tiết là trở ngại nghiêm trọng đối với việc thiết lập chuỗi phân phối điện truyền thống, các giải pháp giúp thu hẹp khoảng cách do các công nghệ hiện tại để lại có thể nắm giữ chìa khóa để mở ra khả năng tiếp cận điện ở ngay cả những cộng đồng xa xôi nhất.
Năng lượng bền vững cho mọi người
Ngân hàng Thế giới ước tính rằng có khoảng 760 triệu người trên toàn thế giới sống ngoài lưới điện của các công nghệ phân phối điện truyền thống. Công ty khởi nghiệp phân phối điện Okra Solar có trụ sở tại Sydney, Úc đã đưa ra các giải pháp thay thế nhằm tìm cách kết hợp các thế mạnh của các công nghệ hiện có đồng thời cung cấp những đổi mới của riêng họ. Các giải pháp của họ cố gắng đóng góp vào SDGs 1, 3, 4 và 7 của Liên hợp quốc nhằm cung cấp khả năng tiếp cận năng lượng hiện đại, đáng tin cậy, bền vững và giá cả phải chăng cho tất cả mọi người.
Nhược điểm của Hệ thống nhà năng lượng mặt trời và lưới điện nhỏ cho các khu vực không có lưới điện
Theo truyền thống, Hệ thống nhà năng lượng mặt trời (SHS) và lưới điện mini là những cách chính để cung cấp điện khí hóa chặng cuối trong nhiều năm nay. Cả hai công nghệ này đều có những ưu điểm, nhưng chúng đã thất bại trong việc cung cấp điện đáng tin cậy, hiệu quả và tiết kiệm cho những địa điểm xa xôi nhất trên thế giới.
SHS đã cung cấp cho hàng triệu người có hoàn cảnh khó khăn trên khắp thế giới khả năng tiếp cận cơ bản với điện cho các nhu cầu cơ bản như chiếu sáng và sạc điện thoại, nhờ tính linh hoạt, tốc độ và sự đơn giản của công nghệ. Tuy nhiên, chúng chỉ đơn giản là không sản xuất đủ năng lượng hoặc năng lượng cho loại hình sử dụng hiệu quả cần thiết cho khả năng tồn tại lâu dài của các sáng kiến điện khí hóa chặng cuối. Mặc dù chắc chắn là có lợi, nhưng SHS là một giải pháp không hoàn hảo vì chúng không hiệu quả trong việc cung cấp điện sản xuất cho các cộng đồng đang phát triển khi so sánh với các hệ thống lưới điện.
Mặt khác, các lưới điện nhỏ dựa trên một kiến trúc tập trung, trong đó năng lượng được tạo ra và lưu trữ tại một địa điểm duy nhất trước khi được phân phối đến các khu dân cư riêng biệt. Lưới điện nhỏ có thể cung cấp lượng điện hữu ích cao, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các khu vực đông dân cư thiếu lưới điện đáng tin cậy. Tuy nhiên, hơn một nửa dân số không có năng lượng trên thế giới – ước tính khoảng 760 triệu người – sống ở các cộng đồng nông thôn với các hộ gia đình rải rác, dân số thưa thớt và mức tiêu thụ năng lượng không thể đoán trước do biến động theo mùa trong canh tác tự cung tự cấp và các hoạt động địa phương khác. Do đó, các lưới điện nhỏ, về bản chất, không phù hợp để phục vụ đầy đủ các quần thể này.
Nhược điểm lớn nhất của việc xây dựng lưới điện mini để triển khai ở chặng cuối là chi phí cao cho tài sản phân phối (ví dụ: cột điện, dây cáp, bộ biến tần). Để phân phối điện một cách an toàn trên một khoảng cách dài trong khi vẫn cho phép mức tiêu thụ cao nhất, cần phải có các tài sản cần bảo trì cao như hệ thống cáp điện áp cao và dòng điện cao, các cột truyền tải chịu lực lớn và bộ biến tần lớn. Tất cả những tài sản này chỉ có thể được sửa chữa bởi nhân viên được cấp phép, những người thường phải di chuyển rất xa để cài đặt từ xa. Do đó, việc bảo trì rất tốn kém và mất thời gian trong trường hợp xảy ra sự cố, dẫn đến suy giảm chất lượng dịch vụ.
Kết quả là, theo nghiên cứu riêng của Okra Solar, khoảng 50% chi phí vốn dành cho cơ sở hạ tầng phân phối và phí vận hành có thể đóng góp tới 40% tổng chi phí dự án. Vì vậy, khi được lắp đặt ở các khu vực dặm cuối, các lưới điện mini có thời gian hoàn vốn trung bình ít nhất là 10 và nhiều nhất là 20 năm, trong đó nhiều lưới điện không thiết lập được tính bền vững về tài chính trong thời gian đó. Theo Ngân hàng Thế giới, việc lắp đặt lưới điện nhỏ hàng năm phải tăng gấp bốn lần để đạt được mục tiêu điện khí hóa vào năm 2030, nhưng chi phí vận hành và vốn cao khiến họ không thể làm như vậy.
Lưới lưới – Phần cứng và phần mềm để truy cập năng lượng ở dặm cuối
Okra Solar đã phát triển một tùy chọn thứ ba mới để thu hẹp khoảng cách giữa SHS và lưới điện mini: lưới mắt lưới. Lưới lưới Okra (OMG) kết hợp tính linh hoạt và tốc độ của SHS với các đặc tính cung cấp năng lượng và độ tin cậy của lưới điện mini cho điện khí hóa nông thôn.
Lưới dạng lưới, trái ngược với lưới nhỏ tập trung, là:
- phi tập trung và mô-đun, với
- tài sản phát điện và lưu trữ (ví dụ: tấm pin mặt trời và pin), cũng như
- biến tần được phân phối và lắp đặt tại từng hộ gia đình.
Phân phối điện thông minh tại địa phương với chi phí trả trước giảm
Thiết kế này đảm bảo rằng phần lớn năng lượng được tạo ra cũng được tiêu thụ ở cùng một vị trí – tương tự như SHS, nhưng có một điểm khác biệt lớn: các hộ gia đình lân cận cũng có thể kết nối với nhau và tạo thành các cụm chia sẻ năng lượng, với thuật toán thông minh phân phối lại nguồn điện dư thừa ở mức 50VDC, mà các thành viên cộng đồng địa phương có thể phục vụ một cách an toàn mà chỉ cần được đào tạo ở mức tối thiểu.
Chức năng chia sẻ năng lượng lưới-lưới này cũng đáp ứng các biến động về nhu cầu, tăng cường độ tin cậy và giảm chi phí trả trước. Trong khi đó, nhà biệt lập có thể hoạt động độc lập cho đến khi hộ bên cạnh sẵn sàng đấu nối, đổi điện. Lưới dạng lưới đủ linh hoạt để phát triển liên tục khi có nhiều hộ gia đình tham gia mạng lưới hơn và khi nhu cầu tăng lên.
The Pod – Bộ điều khiển độc quyền của Okra
Một trong những khối xây dựng chính của lưới lưới là The Pod – bộ điều khiển độc quyền của Okra điều chỉnh việc phân phối điện, giám sát từ xa và thanh toán di động – nền tảng và kiểm soát thiết kế phi tập trung của lưới lưới. Mỗi Pod tạo ra 1,2 kW (AC hoặc DC), đủ để cung cấp năng lượng cho các thiết bị thiết yếu và tăng khả năng sinh lời của mạng. Thông qua “Grid Gateway” sắp tới của Okra, lượng điện dư thừa từ tải thương mại hoặc lưới điện lân cận có thể được chuyển thành lưới điện dạng lưới để giúp giảm chi phí phân phối.
Lợi ích của việc phát điện mặt trời phi tập trung
Lợi ích cơ bản của việc phi tập trung hóa sản xuất điện và lưu trữ năng lượng là nó:
- làm giảm đáng kể tổng lượng điện truyền qua mạng vì năng lượng phần lớn được tạo ra và sử dụng bởi cùng một gia đình, với bất kỳ lượng điện dư thừa nào được chuyển đến các nhà xung quanh một cách hiệu quả.
- Phân phối nút-nút-nút-nút-lưới yêu cầu các kết nối chỉ mỏng hơn 10 lần so với kết nối thông thường, do đó giảm chi phí phân phối tới 90% khi so sánh với các lưới nhỏ tập trung thông thường.
Khả năng mở rộng mô-đun
Tuy nhiên, một ưu điểm khác của phân cấp phát điện là khả năng mở rộng theo mô-đun, không yêu cầu thay thế các tài sản đã cài đặt trước đó. Điều này cho phép tăng tải liên tục khi nhu cầu năng lượng thay đổi theo thời gian, cũng như mở rộng lưới điện nhanh chóng khi có nhiều gia đình tham gia mạng lưới hơn.
Giảm mất điện nhờ bảo trì cục bộ hệ thống Okra Solar
Điện áp phân phối 50VDC trong mạng lưới lưới Okra nhằm mục đích cho phép những người được đào tạo tối thiểu từ chính cộng đồng địa phương thực hiện bảo trì một cách an toàn khi cần thiết. Điều này cho phép các nhà quản lý năng lượng và nhà phân phối thuê tại địa phương thay vì thuê các chuyên gia bên ngoài, do đó thúc đẩy niềm tin và sự ủng hộ từ cộng đồng. Chi phí chung và bảo trì trong mạng lưới không tốn kém, nhanh chóng và đơn giản, đặc biệt khi so sánh với việc cử các chuyên gia có kinh nghiệm thực hiện các chuyến đi tốn kém để tiến hành các cải tiến cần thiết.
Nhanh chóng triển khai để tự túc năng lượng
Hơn nữa, lưới mắt lưới nhanh chóng được triển khai vì tài sản được đặt trong các khu dân cư riêng lẻ, do đó loại bỏ nhu cầu phân bổ thêm diện tích đất cho việc thiết lập chúng. Điều này cũng có lợi ích trong việc rút ngắn thời gian biểu thực hiện dự án để giúp một ngôi nhà tự túc năng lượng.
Năng lượng mặt trời tiết kiệm chi phí
Ngoài ra, lưới điện dạng lưới mang lại lợi ích cho các nhà phát triển năng lượng ngoài lưới điện bằng cách mang lại nhiều tiện ích hơn trên mỗi đô la, vì công nghệ này được thiết kế đặc biệt có tính đến nhu cầu của các cộng đồng ở dặm cuối.
Vai trò của IP trong việc sản xuất điện từ dặm cuối cho mọi người
Okra Solar thừa nhận rằng tài sản trí tuệ (IP) của mình đã đóng một vai trò cơ bản trong thành công của mình trong việc đạt được mục tiêu điện khí hóa chặng cuối cho mọi người. Để đạt được mục tiêu đó, công ty đã đi tiên phong trong các hệ thống mới cho điện khí hóa chặng cuối thông qua các bước đột phá của riêng mình vào IP phần cứng, phần mềm và phần sụn. Với nguồn tài trợ nguồn mở, công ty khởi nghiệp đã giao nhiệm vụ cho nhóm nội bộ từ xa của mình tiến hành thử nghiệm thực địa công nghệ của mình để cải tiến lặp đi lặp lại các sản phẩm và quy trình sản xuất của chính họ. Điều này đã cho phép Okra Solar duy trì mức độ linh hoạt cao trong việc phát triển và triển khai IP của mình để phù hợp với nhu cầu của nhiều khách hàng dựa trên khái niệm lưới điện siêu nhỏ mới lạ của mình.
Máy học & thuật toán không gian địa lý để phân phối điện
Công ty sử dụng các thuật toán phân tích không gian địa lý và học máy để lập kế hoạch cho các lưới điện siêu nhỏ của mình, kết hợp thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời dạng lưới có thể mở rộng với các tấm pin và pin có thể được thêm vào hoặc nâng cấp khi nhu cầu của cộng đồng thay đổi. Pod sử dụng công nghệ máy học để phân tích các kiểu phân phối điện năng. Các thiết bị cũng được liên kết thông qua phần mềm đám mây độc quyền của công ty, cung cấp dữ liệu thời gian thực về hiệu suất của mạng để cho phép các nhà khai thác lưới xác định chính xác thời điểm và vị trí cần nâng cấp. Hệ thống này cho phép người vận hành linh hoạt đưa ra quyết định nhanh chóng để đáp ứng nhu cầu thay đổi và chủ động giảm thiểu hoặc loại bỏ hoàn toàn tình trạng mất điện.
Cung cấp năng lượng cho người dân với việc thanh toán liền mạch các hóa đơn năng lượng
Trong khi đó, trên thực tế, các hộ gia đình có thu nhập thấp – thường không có quyền truy cập vào tài khoản ngân hàng thông thường – có thể được đo và tính phí riêng lẻ thông qua các tùy chọn thanh toán di động. Tích hợp liền mạch với các nhà cung cấp tiền di động cho phép người tiêu dùng thanh toán mức tiêu thụ năng lượng của họ bằng cách quét mã QR bằng điện thoại thông minh của họ hoặc một số tùy chọn dựa trên thiết bị di động tương tự khác.
Chiến lược thích ứng và thuận tiện này đang cho phép Okra Solar mang điện không nối lưới đến các ngôi làng xa xôi ở các nước đang phát triển, bao gồm Philippines, Campuchia và Nigeria.
Nguồn: WIPO