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Elettrificazione rurale, il ruolo delle mini-grid in Africa

Nelle zone rurali dell’Africa Subsahariana per favorire lo sviluppo socio-economico sarebbe ideale adottare modelli di business che prevedano, accanto agli impianti energetici, meglio se solari o a fonti rinnovabili, sistemi di mini reti per utilizzare l'energia generata.

L'articolo è stato pubblicato sul n. 4/2017 della rivista bimestrale QualEnergia

Lo sviluppo socio-economico è strettamente collegato al tema dell’accesso all’energia. Sistemi innovativi di generazione distribuita di energia rappresentano il migliore strumento per garantire l’elettrificazione in aree remote e con bassa densità di carico.

In contesti come le zone rurali dei paesi in via di sviluppo dell’Africa Subsahariana, tuttavia, tecnologie di generazione efficienti risultano fondamentali ma non sufficienti a garantire lo sviluppo locale. Per favorire la crescita è necessario adottare modelli inclusivi di business che prevedano, accanto agli impianti energetici, dei sistemi per l’utilizzo produttivo dell’energia generata.

Secondo Se4all (vedi figura di seguito) diversi paesi dell’Africa Subsahariana presentano un tasso di elettrificazione inferiore al 50%. In termini numerici questo si traduce in 650 milioni di persone che vivono in assenza di energia elettrica.

A livello globale, circa 1,2 miliardi di persone (1 su 6) vive senza accesso all’energia elettrica. Per questo motivo le Nazioni Unite hanno inserito il tema dell’accesso all’energia tra i 17 Sustainable Development Goals (Sdgs) da raggiungere entro il 2030. Tra questi, il Sdg n. 7 ha come obiettivo quello di “assicurare a tutti l’accesso a sistemi di energia economici, affidabili, sostenibili e moderni”.

Princìpi della generazione distribuita

Prima di addentrarci nella descrizione tecnica di una mini-grid, occorre fare un breve confronto tra i sistemi di generazione distribuita e il classico schema di generazione centralizzata, basata su impianti di grande taglia e linee di trasmissione/ distribuzione.

Ciò che interessa è determinare quale sia la soluzione più appropriata al contesto africano che presenta un tasso di elettrificazione estremamente basso e una vasta estensione geografica che richiederebbe investimenti ingenti per la realizzazione di linee di trasmissione elettrica. I punti di forza tecnologici delle mini-grid possono essere riassunti come segue:

  • brevi tempi di realizzazione: una mini-grid completa può essere realizzata in meno di un anno, mentre classiche reti di trasmissione richiedono generalmente tempi molto più lunghi;

  • modularità: è facile ampliare la potenza dell’impianto in funzione della crescita della domanda energetica;

  • sostenibilità ambientale e sociale: direttamente connessa alle relativamente piccole dimensioni degli impianti e alle destinazioni d’uso strettamente legate alle esigenze del territorio e delle popolazioni in questione;

  • basso costo dell’energia prodotta, se confrontato con i costi di realizzazione della rete di trasmissione per raggiungere le comunità remote.

Si può evincere come, nel caso di utenze a basso consumo di energia e molto distanti dalla rete di trasmissione, le mini-grid siano la soluzione più competitiva (grafico di seguito).

Nel caso di contesti rurali a basso indice di sviluppo, in cui il fabbisogno di energia elettrica si riduce ai soli usi essenziali, tra cui illuminazione, ricarica dei cellulari o piccole attività commerciali come bar, ristoranti, barbieri, i Solar Home Systems (SHS) sono sufficienti a soddisfare tali bisogni primari.

Di seguito saranno brevemente analizzate le caratteristiche di queste due soluzioni di generazione distribuita di energia elettrica.

Mini-grid

Una mini-grid può essere definita come un sistema composto da:

  • uno o più impianti di generazione elettrica (generalmente fotovoltaico, mini-idro o minieolico);
  • un generatore diesel di backup;
  • un sistema di accumulo elettrochimico di energia (batteria);
  • una rete di distribuzione in bassa tensione;
  • punti di consegna dell’energia elettrica provvisti di contatori elettronici.

Dal punto di vista tecnico, gli elementi più innovativi di una mini-grid risiedono nel sistema d’integrazione e controllo, che permette di collegare e far funzionare in modo sinergico i diversi dispositivi, e il sistema di misura e fatturazione dell’energia composto dai cosiddetti Smart meters (contatori intelligenti).

Questi ultimi, controllati in remoto dall’operatore dell’impianto, permettono di implementare soluzioni innovative di vendita di energia elettrica, come quella prepagata. Secondo tale modello, analogamente a quanto accade nel campo della telefonia mobile, l’utente acquista in anticipo un determinato quantitativo di energia elettrica che consuma tramite un conto a scalare. Una volta esaurito il credito, l’utente può ricaricare il suo conto energia.

Nel caso in cui il cliente sia insolvente l’operatore può interrompere, sempre da remoto, l’erogazione del servizio, mitigando uno dei rischi principali per le mini-grid. Per quanto riguarda la taglia di una mini-grid, essa può variare dai 10-20 kW fino a qualche MW, secondo il numero di utenti e degli usi dell’energia.

Grande punto di forza di queste tecnologie risiede proprio nella modularità, ossia la possibilità di incrementare velocemente la potenza dell’impianto semplicemente aumentando il numero di pannelli fotovoltaici e di connessioni alla rete.

Dal punto di vista dei costi di realizzazione, l’elemento che incide maggiormente è legato al costo delle batterie per lo stoccaggio dell’elettricità. Per questo motivo, ma anche come soluzione di backup, al fine di realizzare un impianto che eroghi energia 24/7 si preferisce l’installazione di un generatore diesel minimizzando il pacco batterie.

La maggior parte delle mini-grid, attualmente in esercizio, sono in realtà alimentate dal solo generatore diesel ma esiste un grande impulso verso l’ibridizzazione delle stesse tramite l’affiancamento di sistemi a fonti rinnovabili.

Tale processo contribuisce in modo consistente alla riduzione delle emissioni di CO2, nonché delle problematiche relative alla logistica per il trasporto del combustibile e dei costi di esercizio; in sostanza, a contribuire alla sostenibilità dell’impianto.

Solar Home Systems

Per Solar Home Systems (SHS) si intendono soluzioni composte da un impianto fotovoltaico di piccola taglia e una batteria. Sono sistemi portatili o fissi da installare direttamente sul tetto di un’abitazione per fornire energia alle classiche utenze domestiche.

I maggiori sviluppatori di tali sistemi hanno da qualche tempo iniziato a introdurre anche piccoli elettrodomestici a bassissimo consumo di energia come radio, televisori e sistemi d’illuminazione, passando in questo modo dalla semplice vendita di energia al proporre al cliente un servizio vero e proprio di produzione e consumo.

Le maggiori differenze tra una mini-grid e un sistema SHS sono:

  • assetto regolatorio: i sistemi SHS, a differenza delle mini-grid, non sono considerati sistemi di generazione e vendita di energia elettrica, ma sono più assimilati a elettrodomestici di comune utilizzo. Essi non richiedono l’avvio di un processo autorizzativo, la presentazione di una valutazione d’impatto ambientale e non presuppongono la definizione di una tariffa per la fornitura di energia con relativa misura e fatturazione;
  • costo di generazione: il prezzo equivalente dell’energia prodotta da un SHS è generalmente maggiore del costo che sarebbe applicato dall’operatore della rete o dal gestore di una mini-grid. Viste le ridottissime potenze ed energie in gioco quest’aspetto è solitamente di scarsa incisività;
  • potenza massima di generazione: gli SHS sono in grado di erogare poche decine o centinaia di Watt, il che esclude il loro utilizzo per fini produttivi. Ciò nonostante è fondamentale menzionare che oggi gli SHS sono i principali dispositivi che, grazie a un investimento limitato per l’utilizzatore e ad un modello di business remunerativo per lo stesso, stanno contribuendo in modo numericamente significativo a garantire l’accesso all’energia nelle aree rurali.

Usi produttivi dell’energia e modelli di business inclusivi

L’aspetto tecnico finora descritto rappresenta solo una dimensione del tema dell’accesso all’energia.

Dal punto di vista dell’operatore, per implementare modelli di business sostenibili anche dal punto di vista finanziario - e quindi scalabili - è necessario porre al centro dell’investimento la comunità rurale, delineandone gli usi produttivi di energia.

Tale nuovo paradigma suggerisce di considerare la comunità non più come un semplice cliente, ma come un partner nell’iniziativa, proiettando i suoi fabbisogni al centro del contesto e identificando in modo chiaro quali siano gli elementi essenziali che contribuiscono ad un rapido sviluppo dell’economia locale.

Partendo dai servizi essenziali, come l’illuminazione per abitazioni, scuole e ospedali, si passa ai servizi ancillari come il servizio per la telecomunicazione (ricarica cellulari o accesso a Internet). Tuttavia, solo prevedendo anche la crescita di una filiera agroalimentare si può contribuire a uno sviluppo economico completo e sostenibile.

Tale approccio si traduce in soluzioni integrate per la captazione di acqua per usi irrigui e sanitari, sul processing dei prodotti quali sementi o prodotti caseari e sulla conservazione dei prodotti deteriorabili.

Il punto di partenza non è più l’energia ma il fabbisogno della comunità e le potenzialità di sviluppo di ciascuna area. L’applicazione di un modello di business inclusivo, che integri la fornitura e l’utilizzo produttivo dell’energia, fa sì che la comunità non solo partecipi in prima persona nelle fasi di progettazione, ma sia essa stessa a operare tutti i dispositivi a propria disposizione nonché a poter guidare le scelte per futuri ampliamenti dell’impianto.

Si promuove così la nascita, nei contesti in esame, della figura del prosumer (producer-consumer). Non si tratta di un percorso semplice né immediato: si deve perciò prevedere un approccio di tipo progressivo che inneschi un ciclo virtuoso di crescita e sviluppo.

Nei casi di successo, tale ciclo virtuoso innesca un processo iterativo e incrementale attraverso il quale la comunità vede moltiplicare il proprio profitto. Questo processo di crescita può essere accompagnato gradualmente tramite le mini-grid che, grazie alla loro flessibilità e modularità seguono i fabbisogni della comunità.

Barriere allo sviluppo delle mini-grid

Sebbene l’efficacia delle mini-grid sia provata da almeno 20-30 anni con progetti realizzati nei diversi continenti, purtroppo la penetrazione di tali soluzioni nel mercato è ancora marginale ed è spesso associata solo ad attività di tipo filantropico.

Esistono diverse cause che concorrono a limitare la diffusione commerciale di tali sistemi, principalmente legate alla mancanza di un quadro regolatorio che permetta di:

  • definire un processo autorizzativo semplificato per tutti gli aspetti legati a: diritti sui terreni, valutazioni d’impatti ambientali, autorizzazioni da parte delle municipalità, standard tecnici, compatibilità con la rete;
  • uno schema tariffario flessibile che rifletta il costo di generazione dello specifico progetto o per lo meno un meccanismo di sussidio della tariffa che ricompensi l’investitore della differenza tra costo di produzione e tariffa di vendita;
  • nel caso in cui l’estensione della rete nazionale raggiunga le aree servite da una mini-grid sono necessarie condizioni chiare circa l’integrazione tecnica e commerciale con la rete, ovvero exit options che permettano all’investitore di recuperare l’investimento nel caso in cui l’operatore nazionale voglia subentrare.

Tali barriere potrebbero essere più facilmente superate se nell’analisi dei nuovi investimenti si utilizzasse come parametro di riferimento il Levelized Cost of Energy (Lcoe) o costo complessivo dell’energia.

Ricordiamo che i tassi di elettrificazione dei paesi in oggetto sono molto bassi perché i governi non hanno la capacità finanziaria per sostenere gli enormi investimenti richiesti per un’elettrificazione capillare del paese.

Allo stesso tempo, anche nel caso in cui si portasse l’energia in queste aree remote, spesso depresse, il consumo di energia sarebbe talmente basso da generare periodi di ritorno degli investimenti tali per cui nessun soggetto finanziatore sarebbe disposto a supportare l’investimento.

Da qui l’esigenza e l’opportunità di aprire al settore privato internazionale che, a fronte di garanzie e regole chiare, potrebbe affrontare il rischio industriale di realizzare tali impianti.

Altro aspetto critico già menzionato in precedenza è la willingness to pay, in altre parole la disponibilità o volontà a pagare l’energia da parte del cliente finale.

Sebbene gli Smart meter possano permettere di interrompere l’erogazione di energia, essi non possono garantire che un soggetto in difficoltà economica possa corrispondere la quota in bolletta.

Ultimo ma non di minore importanza è il tema dell’esercizio degli impianti. Ricordiamo che si tratta d’impianti di piccola taglia, distribuiti su un territorio vastissimo e spesso mal collegato con centri urbani principali.

L’esercizio e la manutenzione di tali impianti non può che essere demandata a personale della comunità che deve essere istruito in modo approfondito su tutte le tematiche di natura tecnica e di sicurezza dell’impianto.

Il ruolo di RES4Africa

In partnership con la società di trasmissione Kenya Power Lighting Company (Kplc) e l’università di Strathmore, RES4Africa sta realizzando a Nairobi una scuola di formazione professionale per tecnici e manager dedicata ai sistemi mini-grid, la Micro-Grid Academy (Mga).

I corsi partiranno il primo quadrimestre del 2018 con l’obiettivo di formare, nel corso dell’anno, fino a 500 giovani professionisti provenienti dai paesi dell’Africa orientale. Ci auguriamo che questa iniziativa di vocational training possa non solo contribuire ad accelerare la diffusione delle mini-grid, ma anche alla creazione posti di lavoro qualificati. Il ruolo dell’elettrificazione nello sviluppo economico è fondamentale.

Le tecnologie di generazione distribuita da fonti rinnovabili rappresentano la soluzione più innovativa, sostenibile ed economica per la fornitura di energia in aree a bassa densità abitativa ed energetica e lontane dalla rete nazionale.

Con l’obiettivo di innescare un ciclo virtuoso di crescita economica locale è necessario indentificare gli usi produttivi dell’energia legati al settore agroalimentare e costruire, insieme alla comunità, un modello di business inclusivo volto a creare valore condiviso tra i vari attori.

Per riuscire in tale intento è necessario unire le forze e creare solide partnership tra settore pubblico e privato, organizzazioni no profit e comunità locali. Questa coalizione insieme ad efficaci meccanismi di de-risking e un quadro regolatorio flessibile può realmente accelerare uno sviluppo sostenibile del Continente africano contribuendo al miglioramento della qualità della vita e ad una diminuzione dei flussi migratori.

L'articolo è stato pubblicato sul n.4/2017 della rivista bimestrale QualEnergia con il titolo "Piccole reti crescono".