INNOVATION OUTLOOK
RENEWABLE
MINI-GRIDS
Copyright © IRENA 2016
Unless otherwise stated, this publication and material featured herein are the property of the International Renewable Energy Agency (IRENA) and are subject to copyright by IRENA. Material in this publication may be freely used, shared, copied, reproduced, printed and/or stored, provided that all such material is clearly attributed to IRENA and bears a notation that it is subject to copyright (© IRENA). Material contained in this publication attributed to third parties may be subject to third-party copyright and separate terms of use and restrictions, including restrictions in relation to any commercial use.
ISBN 978-92-95111-43-1 (Print) ISBN 978-92-95111-44-8 (PDF)
Citation: IRENA (2016), Innovation Outlook: Renewable Mini-grids, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi.
About IRENA
The International Renewable Energy Agency (IRENA) is an intergovernmental organisation that supports countries in their transition to a sustainable energy future, and serves as the principal platform for international co-operation, a centre of excellence, and a repository of policy, technology, resource and fi nancial knowledge on renewable energy.
IRENA promotes the widespread adoption and sustainable use of all forms of renewable energy, including bioenergy, geothermal, hydropower, ocean, solar and wind energy, in the pursuit of sustainable development, energy access, energy security and low-carbon economic growth and prosperity. www.irena.org
Acknowledgements
IRENA would like to thank the following experts for their inputs to this report: Romina Arcamone (Trojan Battery), Luis Arribas (CIEMAT), Juliana Baumgartl (Smart Hydro), Sara Dourado (TESE – Guinea Bissau), Janina Franco (World Bank), Leia Guccione (Rocky Mountain Institute – RMI), Nikos Hatziargyriou (National Technical University of Athens), Ernesto Macías (Alliance for Rural Electrifi cation – ARE), Jamie Mandel (RMI), Chris Marnay (Lawrence Berkeley National Laboratory), Matt Maroon (Aquion Energy), Kevin Meagher (Power Analytics), Terry Mohn (General Microgrids), Stephen Phillips (Optimal Power Solutions), Martin Rothert (SMA), Claude Ruchet (Studer), Mehdi Savghebi (Aalborg University), Pere Soria (Circutor), Rich Stromberg (Alaska Energy Authority), Salvador Suárez (ITC Canarias), David Vilar (World Bank), Eric Wanless (RMI), Marcus Wiemann (ARE) and Jürgen Zimmermann (ABB).
This report benefi ted greatly from comments and suggestions by Dolf Gielen (IRENA), Ruud Kempener (former IRENA), Emanuele Taibi (IRENA) and Salvatore Vinci (IRENA), as well as by the following experts from other institutions: Jose A. Aguado (University of Malaga), Rafael Escobar Portal (Soluciones Prácticas) and Enrique Garralaga (SMA Sunbelt Energy).
Report contributers: Mauricio Solano Peralta (Trama TecnoAmbiental), John Glassmire (HOMER), Marilena Lazopoulou (Trama TecnoAmbiental), Kristina Sumner (HOMER), Xavier Vallvé (Trama TecnoAmbiental), Peter Lilienthal (HOMER), Maria Ayuso (IRENA) and Francisco Boshell (IRENA).
For further information or to provide feedback: please contact IRENA at [email protected] This report is available for download from: www.irena.org/publications.
Disclaimer
This publication and the material featured herein is provided “as is”, for informational purposes only�
All reasonable precautions have been taken by IRENA to verify the reliability of the material featured in this publication� Forward-looking projections are inherently uncertain� A complete understanding of the assumptions underlying the conclusions and the methodologies used to create such projections may be sought from the party to whom such projections are attributed� Neither IRENA nor any of its offi cials, agents, data or other third-party content providers or licensors provide any warranty, including as to the accuracy, completeness, or fi tness for a particular purpose or use of such material, or regarding the non-infringement of third-party rights, and they accept no responsibility or liability with regard to the use of this publication and the material featured therein�
CONTENTS
FIGURES ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������IV TABLES ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������VII ABBREVIATIONS ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������IX SUMMARY FOR POLICY MAKERS ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������1 GLOSSARY OF TERMS �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������13 1 INTRODUCTION �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������16 2 TYPES OF RENEWABLES-BASED MINI-GRIDS ����������������������������������������������������������������������������������������������������������19 3 DEPLOYMENT STATUS AND COSTS ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������21 3�1 Deployment of renewable mini-grids ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������21 3�2 Innovation beyond technology: New business models ���������������������������������������������������������������������������������23 3�3 Costs of renewable mini-grids ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������24 3�4 Benefits of renewable mini-grids ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������26
●
● Benefits of AB (Autonomous Basic) service �����������������������������������������������������������������������������������������������27
●
● Benefits of AF (Autonomous Full service) ���������������������������������������������������������������������������������������������������27
●
● Benefits of IC (Interconnected Community) application �����������������������������������������������������������������������27
●
● Benefits of ILI (Interconnected Large Industrial) application ��������������������������������������������������������������28 4 STATE-OF-THE-ART TECHNOLOGIES ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������29 4�1 Plan and design ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������30
●●Mini-grid design ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������30
●●Resource planning ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������31
●●Load planning �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������31
●
● Key attributes �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������31 4�2 Control, manage and measure (CMM) �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������31
●
● Controls ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������32
●
● Data communication and standards ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������33
●
● Metering and monitoring ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������34
●
● Connections with equipment (interoperability) and other grids (interconnection) �������������������35
●
● Key attributes ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������37 4�3 Store �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������37
●
● Electrochemical storage �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������38
●
● Mechanical storage ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������41
●
● Other storage ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������43 4�4 Convert ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������43
●
● Grid-following inverters���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������44
●
● Grid-forming inverters �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������44
●
● Dual-mode inverters ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������45
●
● DC step-up and step-down (DC-to-DC conversion) �������������������������������������������������������������������������������46 4�5 Consume ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������46
●●DC appliances and DC grids ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������46
●●The importance of demand-side management ����������������������������������������������������������������������������������������48
●●The importance of energy efficiency �������������������������������������������������������������������������������������������������������������48
●●Key attributes ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������48 4�6 Options for policy makers and developers ���������������������������������������������������������������������������������������������������������48
5 TECHNOLOGY GAPS AND OPPORTUNITIES FOR INNOVATION �����������������������������������������������������������������������51 6 PROSPECTS FOR TECHNOLOGY INNOVATION ��������������������������������������������������������������������������������������������������������53 6�1 Plan and design ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������53
●●Priority Gap 1 – Standardised planning and design ���������������������������������������������������������������������������������54
●●Indicators and summary of innovation impact ������������������������������������������������������������������������������������������56 6�2 Control, manage and measure (CMM) ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������56
●
● Priority Gap 1 – More-intelligent controls �����������������������������������������������������������������������������������������������������58
●
● Priority Gap 2 – Improved communications and standards �����������������������������������������������������������������59
●●Priority Gap 3 – Improved metering and monitoring �����������������������������������������������������������������������������60
●
● Priority Gap 4 – Simplify connecting equipment together �������������������������������������������������������������������62
●
● Indicators and summary of innovation impact ������������������������������������������������������������������������������������������66 6�3 Store �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������66
●●Priority Gap 2 – More robust, lower maintenance technologies to reduce life-cycle costs for
storage �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������69
●
● Priority Gap 3 – Improvements in long-term storage capability ��������������������������������������������������������70
●
● Priority Gap 4 – Improvements in high-power output capability �������������������������������������������������������71
●●Indicators and summary of innovation impact ������������������������������������������������������������������������������������������76 6�4 Convert ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������76
●
● Priority Gap 1 – Lower capital costs of converters �����������������������������������������������������������������������������������76
●
● Priority Gap 2 – Combine diverse functions in inverters �����������������������������������������������������������������������78
●
● Priority Gap 3 – Improve efficiency, particularly at partial load ����������������������������������������������������������78
●●Priority Gap 4 – More converter options for diverse renewable mini-grid markets ��������������������81
●
● Indicators and summary of innovation impact �������������������������������������������������������������������������������������������81 6�5 Consume ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������81
●
● Priority Gap 1 – Increased commercial availability of efficient end-uses �����������������������������������������81
●●Priority Gap 2 – Better tools for adapting consumption to energy supply (DSM) ����������������������84
●●Indicators and summary of innovation impact ������������������������������������������������������������������������������������������86 6�6 The renewable mini-grid of the future ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������86
●
● Visualising the renewable mini-grid
of the future �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������90
6�7 Innovation leads to cost reduction of renewables-based
mini-grids�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������90 7 THE ROLE OF KEY PLAYERS IN DRIVING INNOVATION ����������������������������������������������������������������������������������������91 7�1 The role of policy makers ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������91
●
● Portfolio of policy instruments ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������91
●
● Educational policies ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������93
●
● Regulatory policies ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������93
●●Market policies ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������94 7�2 The role of private investors �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������94
●
● Undertake fundamental research �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������94
●
● Pilot projects ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������95
●●Deploy mini-grids ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������95
●●Transfer technology into the renewable mini-grid market �������������������������������������������������������������������95
●
● Participate in industry groups: develop standards and build relationships �����������������������������������95 7�3 The role of the non-profit sector and academia �����������������������������������������������������������������������������������������������95 8 CONCLUSIONS �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������96 REFERENCES ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������98 ANNEX 1: Detailed drivers for renewable mini-grids ����������������������������������������������������������������������������������������������116 ANNEX 2: Barriers to renewable mini-grid innovation ��������������������������������������������������������������������������������������������121 ANNEX 3: Worldwide deployment and stakeholders ���������������������������������������������������������������������������������������������125
ANNEX 4: Detailed patent review �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������127 CMM �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������128
●●Data communication ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������129
●
● Intelligent storage control ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������130
●
● Measurements���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������131
●●Mini-grid management ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������132
●●User meters �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������133 Store ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������134
●
● Electrochemical �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������135
●
● Mechanical ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������136
●●Thermal ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������137
●
● Chemical ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������138
●
● Electrical ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������139 Convert ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������140
●●DC-DC conversion ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������141
●●AC-DC conversion �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������142
●
● AC-AC conversion �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������143 Consume �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������144
●
● Demand-side management�����������������������������������������������������������������������������������������������������������145
●●Energy efficiency �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������146
●
● Back-up ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������147 Generate �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������148
●
● PV �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������149
●●Wind ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������150
●●Hydro ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������151
●
● Biomass ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������152 ANNEX 5: Indicators ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������154 Plan and design, CMM and consume ������������������������������������������������������������������������������������������������������������154 Store ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������154 Generate �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������154 Convert ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������154 ANNEX 6: Generation state of the art and outlook �������������������������������������������������������������������������������������������������������155 State of the art in generation ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������155
●
● Solar PV ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������155
●●Wind turbines ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������156
●
● Hydro turbines: run-of-river �����������������������������������������������������������������������������������������������������������157
●
● Biomass technologies ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������158 Prospects for generation innovation �������������������������������������������������������������������������������������������������������������159
●●Priority Gap 1 – Lower capital costs for generation �������������������������������������������������������������159
●●Priority Gap 2 – Reduce maintenance needs �������������������������������������������������������������������������163
●
● Priority Gap 3 – Improve efficiency and increase energy capture ���������������������������������164
●
● Indicators ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������165 ANNEX 7: Renewable mini-grid price prediction: Modelling input summary ���������������������������������������������������167
Figures
Figure S1: Mini-grid functionalities ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������2 Figure S2: Expected cost reductions in lead-acid, advanced lead-acid, lithium-ion and flow
storage batteries by 2015, 2025 and 2035 ��������������������������������������������������������������������������������������������������6 Figure S3: Expected cost reductions in grid-forming, grid-following and dual-mode converters
in 2025 and 2035 �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������7 Figure S4: Potential evolution of renewable mini-grids by 2025 and 2035�����������������������������������������������������������8 Figure S5: Unsubsidised cost ranges for renewable mini-grids from 2005 to 2035 for a 100%
renewable energy community system� ���������������������������������������������������������������������������������������������������������11 Figure 1: A renewable mini-grid with DC distribution �����������������������������������������������������������������������������������������������16 Figure 2: Plot of renewable fraction vs� levelised cost of energy for 2015 �������������������������������������������������������25 Figure 3: Renewable mini-grid functionalities �������������������������������������������������������������������������������������������������������������29 Figure 4: Communication standards within the electricity supply ����������������������������������������������������������������������33 Figure 5: Relationship between grid-following, grid-forming and dual-mode inverters ����������������������������43 Figure 6: Top 10 countries for modelling and simulation patents filed from 2010 to 2014 ������������������������54 Figure 7: Number of patents for plan-and-design technologies for all years prior to 2010
and for 2010-2014 �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������54 Figure 8: Top 10 countries for all CMM technology patents filed from 2010 to 2014 �����������������������������������57 Figure 9: Number of patents for CMM technologies for all years prior to 2010
and for 2010-2014 �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������57 Figure 10: Top 10 countries for all storage technology patents filed from 2010 to 2014 ������������������������������65 Figure 11: Number of patents for storage technologies for all years prior to 2010
and for 2010-2014 �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������65 Figure 12: Storage technology cost ranges in 2015, 2025 and 2035
depicted in USD/kW vs� USD/kWh ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������72 Figure 13: Top 10 countries for all conversion technology patents filed from 2010 to 2014 �����������������������75 Figure 14: Number of patents for power conversion technologies for all years prior to 2010
and for 2010-2014 �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������75 Figure 15: Commercialisation stage of various graphene-based applications �������������������������������������������������77 Figure 16: Converter technology cost ranges in 2015, 2025 and 2035 ����������������������������������������������������������������80 Figure 17: Top 10 countries for all consumption /consume-function technology patents filed
from 2010 to 2014 �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������82 Figure 18: Number of patents for consumption / consume-function technologies for all years
prior to 2010 and for 2010-2014 ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������82 Figure 19: Conceptualisation of a mini-grid based on load requirements ����������������������������������������������������������84 Figure 20: The renewable mini-grid of 2025 �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������87 Figure 21: The renewable mini-grid of 2035 �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������88 Figure 22: Plot of renewable fraction vs� real levelised cost of energy for 2015, 2025 and 2035 �������������89 Figure 23: Technology readiness level �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������92 Figure 24: Top 10 companies for CMM modelling and simulation patents filed from 2010 to 2014 ��������127
Figure 25: Number of patents for modelling and simulation technologies filed from 2010 to 2014 �������128 Figure 26: Top 10 companies for all CMM technology patents filed from 2010 to 2014 �������������������������������128 Figure 27: Number of patents for CMM technologies filed from 2010 to 2013 �����������������������������������������������129 Figure 28: Top 10 countries for CMM data communication patents filed from 2010 to 2014 ��������������������129 Figure 29: Top 10 companies for CMM data communication patents filed from 2010 to 2014 ����������������130 Figure 30: Top 10 countries for CMM intelligent storage control patents filed from 2010 to 2014 ����������130 Figure 31: Top 10 companies for CMM intelligent storage control patents filed from 2010 to 2014 ��������131 Figure 32: Top 10 countries for CMM measurement patents filed from 2010 to 2014 ������������������������������������131 Figure 33: Top 10 companies for CMM measurements patents filed from 2010 to 2014 �����������������������������132 Figure 34: Top 10 countries for CMM mini-grid management patents filed from 2010 to 2014 ����������������132 Figure 35: Top 10 companies for CMM mini-grid management patents filed from 2010 to 2014 ������������133 Figure 36: Top 10 countries for CMM user meter patents filed from 2010 to 2014 �����������������������������������������133 Figure 37: Top 10 companies for CMM user meter patents filed from 2010 to 2014�������������������������������������134 Figure 38: Top 10 companies for all storage technology patents filed from 2010 to 2014 �������������������������134 Figure 39: Number of patents for storage technologies filed from 2010 to 2014 �������������������������������������������135 Figure 40: Top 10 countries for electrochemical storage patents filed from 2010 to 2014 �������������������������135 Figure 41: Top 10 companies for electrochemical storage patents filed from 2010 to 2014 ���������������������136 Figure 42: Top 10 countries for mechanical storage patents filed from 2010 to 2014 ���������������������������������136 Figure 43: Top 10 companies for mechanical storage patents filed from 2010 to 2014 �������������������������������137 Figure 44: Top 10 countries for thermal storage patents filed from 2010 to 2014 ������������������������������������������137 Figure 45: Top 10 companies for thermal storage patents filed from 2010 to 2014 �������������������������������������138 Figure 46: Top 10 countries for chemical storage patents filed from 2010 to 2014 ��������������������������������������138 Figure 47: Top 10 companies for chemical storage patents filed from 2010 to 2014 �����������������������������������139 Figure 48: Top 10 countries for electrical storage patents filed from 2010 to 2014 ��������������������������������������139 Figure 49: Top 10 companies for electrical storage patents filed from 2010 to 2014 �����������������������������������140 Figure 50: Top 10 companies for conversion technology patents filed from 2010 to 2014 ������������������������140 Figure 51: Number of patents for power conversion technologies filed from 2010 to 2014 ����������������������141 Figure 52: Top 10 countries for DC-to-DC conversion patents filed from 2010 to 2014 �������������������������������141 Figure 53: Top 10 companies for DC-to-DC for conversion patents filed from 2010 to 2014 ��������������������142 Figure 54: Top 10 countries for AC-to-DC conversion patents filed from 2010 to 2014 ������������������������������142 Figure 55: Top 10 companies for AC-to-DC conversion patents filed from 2010 to 2014 ���������������������������143 Figure 56: Top 10 countries for AC-to-AC conversion patents filed from 2010 to 2014 ������������������������������143 Figure 57: Top 10 companies for AC-to-AC conversion patents filed from 2010 to 2014 ���������������������������144 Figure 58: Top 10 companies for all consumption technologies patents filed from 2010 to 2014 ���������144 Figure 59: Number of patents for consumption technologies from 2010 to 2014 �����������������������������������������145 Figure 60: Top 10 countries for DSM patents filed from 2010 to 2014 ����������������������������������������������������������������145 Figure 61: Top 10 companies for DSM patents filed from 2010 to 2014 �������������������������������������������������������������146
Figure 62: Top 10 countries for energy efficiency patents filed from 2010 to 2014 ��������������������������������������146 Figure 63: Top 10 companies for energy efficiency patents filed from 2010 to 2014 ������������������������������������147 Figure 64: Top 10 countries for back-up patents filed from 2010 to 2014 ����������������������������������������������������������147 Figure 65: Top 10 companies for back-up patents filed from 2010 to 2014 �����������������������������������������������������148 Figure 66: Top 10 companies for all generation technology patents filed from 2010 to 2014 ������������������148 Figure 67: Number of patents for generation technologies filed from 2010 to 2014 �����������������������������������149 Figure 68: Top 10 countries for solar PV patents filed from 2010 to 2014 ���������������������������������������������������������149 Figure 69: Top 10 companies for solar PV patents filed from 2010 to 2014 �����������������������������������������������������150 Figure 70: Top 10 countries for wind turbine patents filed from 2010 to 2014 ������������������������������������������������150 Figure 71: Top 10 companies for wind turbine patents filed from 2010 to 2014 ����������������������������������������������151 Figure 72: Top 10 countries for hydro turbine patents filed from 2010 to 2014 ����������������