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LES SOLUTIONS SOLAIRES PV HORS GRID, MINI-GRID ET ON-GRID EN AFRIQUE: OPPORTUNITÉS ET DÉFIS

LES SOLUTIONS SOLAIRES PV HORS GRID, MINI-GRID ET ON-GRID EN AFRIQUE: OPPORTUNITÉS ET DÉFIS

L’accès à l’énergie est aujourd’hui l’un des plus grands défis de développement en Afrique, ce qui en fait une priorité naturelle du plan stratégique High-5 de la Banque africaine de développement. 23 des 28 pays les plus pauvres du monde sont en Afrique, et pourtant en même temps, les pays africains représentent 6 des 10 économies à la croissance la plus rapide en 2018. L’énergie (en tant que moteur du développement économique et social) a le potentiel de lutter contre l’extrême pauvreté et d’accélérer le développement économique en cours.

Une technologie qui continue de révolutionner l’énergie dans le monde est le solaire photovoltaïque. En Afrique subsaharienne, le PV solaire à lui seul devrait contribuer à plus de 4% à la production totale d’ici 2040. Les systèmes photovoltaïques convertissent l’énergie solaire en électricité à courant continu (CC). Cette forme d’énergie peut être utilisée directement pour alimenter les appareils CC ou convertie en électricité CA pour alimenter les réseaux CA et les appareils CA.

L’Afrique dispose d’un potentiel inégalé pour maximiser l’énergie solaire en tant que ressource, la plupart des pièces connaissant des niveaux d’énergie dépassant 2000 kWh / m2 / an. En plus de cela, les limitations de coûts continuent de devenir moins un obstacle, car le prix des systèmes solaires baisse en raison d’une combinaison de facteurs allant du progrès technologique et d’une augmentation de la capacité de fabrication – en particulier en Chine. En 2017, le coût mondial moyen actualisé de l’énergie (LCOE) pour le solaire photovoltaïque à l’échelle du réseau était estimé à 100 USD / MWh – une réduction de 73% par rapport aux coûts de 2010 – avec un coût descendant jusqu’à 30 USD / MWh dans certains cas.

 

Figure 1: Carte des ressources solaires en Afrique [Source: https://solargis.com/maps-and-gis-data/download/sub-saharan-africa/ ]

 

L’Afrique est un continent de contrastes remarquables. Des villes tentaculaires existent aux côtés de zones rurales extrêmement sous-développées, et même dans les zones urbaines, les bidonvilles et les établissements informels persistent. La réalité de ces différences géographiques et démographiques justifie une différenciation des approches d’accès à l’énergie.

Alors que la voie traditionnelle d’accès à l’énergie a été l’extension du réseau, les alternatives telles que les mini-réseaux et les systèmes hors réseau sont de plus en plus populaires car elles sont mieux adaptées dans certains cas. Cet article examine les diverses applications du PV solaire sur réseau, mini-réseau et hors réseau; y compris les défis et opportunités existants.

Systèmes en réseau
Exemples de projets: Jasper, 96 MW (Afrique du Sud); Gomoa Onyandze, 20 MW (Ghana); Soroti 10MW (Ouganda)

Ce sont de grandes fermes solaires photovoltaïques qui ont été créées pour produire de l’électricité qui est directement injectée dans le réseau national. L’emplacement est une considération majeure, car les investisseurs cherchent à maximiser la production d’électricité grâce à un emplacement optimal. De tels projets entraînent également des coûts de mise en place de l’infrastructure de transport pour évacuer l’énergie produite, bien que, dans de nombreux pays, cela ait été utilisé par la société nationale de transport comme un moyen d’inciter à l’investissement dans la technologie. Ces types d’investissements sont également encouragés par des tarifs de rachat garantissant le rendement de chaque unité de puissance évacuée de la centrale solaire, réduisant ainsi le risque d’investissement. La production à l’échelle du réseau nécessite que l’électricité produite soit compatible avec les normes de réseau existantes. Cela comprend entre autres la conversion en courant alternatif et la gestion de la fréquence à synchroniser avec le système national.

Les défis: En raison de la chute des coûts du solaire photovoltaïque, le LCOE des installations solaires est l’un des plus bas d’Afrique, ce qui en fait un choix évident pour les investisseurs. Cependant, lorsque les pays exigent une fiabilité plus élevée et un approvisionnement permanent (24 heures sur 24), le solaire photovoltaïque à l’échelle du réseau cesse d’être aussi économiquement viable qu’auparavant, car des investissements supplémentaires doivent être effectués dans des systèmes de secours tels que le stockage (batteries) et les générateurs (y compris le diesel).

Considérations: Le solaire PV a une empreinte foncière importante. De vastes quantités de terres doivent être mises de côté pour les grandes exploitations agricoles à grande échelle. Il s’agit d’une considération importante dans le cadre de la question globale de la durabilité, car la terre est une ressource clé, en particulier avec les projections de croissance démographique. Les pays soumis à des contraintes foncières devraient donc soigneusement peser le pour et le contre avant d’entreprendre de tels projets. Alternativement, plusieurs pays proposent des moyens innovants d’utilisation commune avec les terres sur lesquelles les fermes solaires sont construites pour d’autres activités telles que l’agriculture entre autres.

La nécessité d’une alimentation de secours, que ce soit par le stockage sur batterie ou d’autres sources d’électricité doit également être prise en compte en termes de coût et de durabilité pour garantir que l’investissement global du système reste viable à la fois financièrement et écologiquement.

D’autres facteurs à considérer sont la stabilité globale du système et le coût de l’équilibrage du système en fonction du niveau de capacité intermittente tel que le solaire. Les pays devraient donc effectuer des études détaillées du système sur ces questions, afin d’éviter à l’avenir des perturbations involontaires et des coûts encourus.

Systèmes mini-réseau
Le solaire est un choix populaire pour les systèmes de mini-réseau en Afrique en raison de son coût relativement faible et de ses ressources abondantes. L’investissement dans les mini-réseaux en Afrique doit prendre en compte un certain nombre de considérations telles que décrites en détail ici. Les mini-réseaux solaires fonctionnent mieux là où la charge peut être adaptée à la disponibilité des entreprises d’énergie solaire qui fonctionnent pendant les heures d’ensoleillement élevées, comme les minoteries. Avec ce type d’arrangement, l’énergie solaire générée peut être vendue pendant la journée, avec de petits générateurs de secours supportant la plus petite charge nocturne.

Les défis: En bref, la nature intermittente du solaire signifie qu’une sorte de sauvegarde doit être disponible pour répondre à la demande lorsque le soleil n’est pas disponible.

Considérations: Les mini-réseaux fonctionnant à l’énergie solaire fonctionnent mieux là où la charge correspondante qu’ils desservent culmine pendant la journée – quand une grande partie de ce qui est produit peut être évacuée. Les opérateurs de ces systèmes doivent donc investir dans des activités incitatives qui se traduisent par ce type de profil de charge favorable.

Il y a des avantages à combiner l’énergie solaire dans des systèmes hybrides avec d’autres formes d’énergie, y compris le diesel, pour réduire le coût de l’énergie dans les applications de mini-réseau. Une étude d’Impact 4 Energy (2018) a conclu que les systèmes hybrides avec PV, batteries et diesel affichaient systématiquement des prix inférieurs sur différents profils de charge.

Systèmes hors réseau / autonomes

Exemples de projets: MKopa, Fenix ​​International, Azuri, d.light, Mobisol, BBOX (Afrique de l’Est); PEG Africa, Lumos, Azuri (Afrique de l’Ouest); Kingo Energy (Afrique du Sud)

Les systèmes solaires hors réseau sont applicables pour l’accès à l’énergie dans différents contextes géographiques et classes économiques. Ces systèmes se composent généralement d’un panneau solaire, d’une batterie et de divers appareils CC. Ils répondent à un certain nombre de besoins énergétiques tels que l’éclairage (ampoules et torches), le divertissement (radios et téléviseurs) et la recharge de téléphones.

Dans les zones rurales, les systèmes hors réseau fournissent une intervention opportune pour répondre aux besoins énergétiques, plutôt que d’attendre de longs délais pour réaliser des projets sur réseau ou mini-réseau. Un obstacle majeur à l’adoption de systèmes autonomes était le coût élevé. Dans de nombreux pays africains, ce problème est résolu par l’ingéniosité des modèles de paiement à l’utilisation qui permettent des paiements de système en petits versements gérables. Cependant, même en dépit du coût élevé de l’énergie solaire autonome, les clients ruraux et urbains peuvent bénéficier des économies à long terme. Ces systèmes offrent une alternative aux coûts de connexion élevés, aux tarifs d’électricité élevés et, dans de nombreux cas, à une faible fiabilité synonyme d’électricité connectée au réseau.

Les défis: La maintenance est un problème clé en ce qui concerne ces systèmes car ils sont utilisés et gérés individuellement par leurs propriétaires. Pour maximiser les paramètres tels que la durée de vie de la batterie et l’efficacité du panneau, les utilisateurs doivent être formés à leur maintenance et aux meilleures pratiques. Par exemple, il est nécessaire d’éviter une décharge complète et répétée de la batterie et d’essuyer la poussière des panneaux pour tirer le meilleur parti des systèmes autonomes.

Considérations: Alors que les systèmes domestiques hors réseau continuent de gagner en popularité, un accent majeur devrait être mis sur la qualité, la formation et le service client, afin de garantir que les clients obtiennent le meilleur retour sur investissement. De plus, l’avenir du succès du modèle de paiement à l’utilisation est fortement lié à la croissance des paiements d’argent mobile. La croissance la plus élevée de ce modèle de financement a été observée en Afrique de l’Est, qui a des cadres mobiles bien développés – bien que les taxes récemment perçues en Ouganda menacent l’utilisation continue du service.

Considérations générales

L’énergie solaire a le potentiel de générer des économies importantes et donc d’améliorer la qualité de vie au niveau des ménages. Mais cela nécessiterait un changement de mentalités par rapport aux sources d’énergie alternatives traditionnelles. Certaines études ont montré que les systèmes d’énergie solaire sont liés à l’augmentation du revenu disponible, lorsqu’ils remplacent des alternatives telles que le kérosène et, dans certains cas, les générateurs diesels. De même, la difficulté de parcourir de longues distances pour recharger les téléphones est surmontée par des chargeurs solaires facilement accessibles, qui répondent à la fois à un besoin et offrent une opportunité commerciale à leurs propriétaires.

Pour réduire davantage le coût de l’énergie solaire pour les utilisateurs finaux, les gouvernements et les régulateurs ont beaucoup à faire en termes d’incitation à l’investissement et à l’adoption. Cela pourrait se faire en fixant des tarifs de rachat pour réduire les risques d’investissement et en autorisant des exonérations fiscales. Au Kenya, les exonérations fiscales sur les importations solaires ont entraîné une baisse de 3 $ du prix des lampes solaires, entraînant une augmentation de l’adoption de 37% à 69%.

Du côté de la demande, les gouvernements ont la capacité d’encourager ou d’étouffer leur adoption grâce au soutien des secteurs tels que l’industrie des télécommunications, et en particulier les opérateurs de transactions mobiles. Certains de ces acteurs indirects jouent un rôle significatif dans la performance des investissements solaires.

La qualité reste un facteur majeur dans l’attitude des Africains envers les systèmes solaires. Les régulateurs ont donc un rôle essentiel à jouer dans la gestion de l’assurance qualité, en appliquant des normes et des spécifications minimales pour tous les équipements.

En fin de compte, le solaire PV est très prometteur pour atteindre les objectifs d’accès à l’énergie en Afrique. L’abondance des ressources du continent couplée à la baisse constante des prix, rendent cette technologie attrayante à mettre en œuvre. Cependant, le solaire photovoltaïque n’est pas sans ses propres défis uniques, en particulier autour de l’intermittence et de l’empreinte foncière considérable. Ceux-ci doivent être pris en compte lors de la conception des projets, en particulier à l’échelle du réseau. Les applications mini et hors réseau offrent des alternatives prêtes, en particulier pour les communautés rurales qui ne seront probablement pas connectées au réseau principal dans un avenir proche. Dans ces applications, la nature de la charge, ainsi que la sensibilisation aux meilleures pratiques pour prolonger la durée de vie des composants, et ainsi maximiser les avantages du système, sont des considérations critiques.

 

Amanda Kahunzire,

Communications Associate, ISNAD-Africa

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Une cuisine plus propre et son rôle dans l’avenir de l’Afrique

Pour une famille en Afrique, l’impact de la collecte de brindilles et de la coupe d’arbres pour l’énergie de cuisson peut sembler insignifiant. Mais lorsque plus de 3 milliards de personnes, dont beaucoup vivent en Afrique subsaharienne, n’ont pas d’autre énergie de cuisson et continuent à dépendre du bois chaque jour, l’impact est énorme.

Le récent rapport spécial du GIEC sur le changement climatique a souligné la nécessité de réduire simultanément les émissions de CO2 et de non-CO2 de courte durée, telles que le méthane et le carbone noir, si nous voulons limiter la hausse de la température mondiale à 1,5 ° C. Cela met en évidence le rôle du secteur de la cuisson propre dans le débat plus général sur l’action climatique, 25% du carbone noir mondial provient de la cuisson et du chauffage résidentiels.

Pour atteindre l’ODD 7, il est également nécessaire de s’éloigner des combustibles traditionnels polluants et non respectueux de l’environnement. Il s’agit donc d’une étape cruciale sur la voie du développement durable de l’Afrique.

Quelles sont les technologies de cuisson propres existantes?

La cuisson en Afrique se fait principalement sur des feux à trois pierres dans les zones rurales, tandis que la majorité des citadins utilisent des foyers traditionnels alimentés au charbon de bois. Ces méthodes souffrent de plusieurs inefficiences, offrant ainsi des possibilités d’amélioration. Les technologies de cuisson propres cherchent à relever ces défis à différents points de la chaîne de valeur, comme indiqué brièvement ci-dessous:

  1. a) Technologies de conversion plus efficaces

Conversion de la biomasse en carburant: le charbon de bois est l’un des combustibles les plus populaires dans les centres urbains d’Afrique. Sous sa forme la plus courante, le charbon de bois est un carbone noir produit par le chauffage du bois en l’absence d’oxygène par un processus appelé pyrolyse lente. Les fours à charbon traditionnels sont très inefficaces et produisent 100 à 150 kg de charbon pour chaque tonne de bois. En convertissant dans des fours modernes atteignant des rendements allant jusqu’à 40%, il est possible de réaliser des économies de 2 à 4 fois sur l’utilisation du bois et, partant, sur l’abattage des arbres.

Conversion de combustible en chaleur: Les poêles de cuisson traditionnels fabriqués à partir de matériaux de mauvaise qualité sont très inefficaces et gaspillent une grande partie de la chaleur produite. Les cuisinières améliorées utilisent les mêmes principes que les cuisinières traditionnelles, mais optimisent la conception et l’utilisation de matériaux de meilleure qualité pour maximiser la rétention de chaleur et le flux d’air. À long terme, ils permettent d’économiser du carburant et donc de réduire la pression exercée sur les sources de carburant, ainsi que les dépenses en carburant des ménages.

  1. b) Combustibles de cuisson alternatifs (USAID, 2017)

La biomasse comprimée, comme les briquettes et les granulés, a une densité d’énergie supérieure à celle de la biomasse non comprimée (par exemple, du charbon de bois) et peut donc atteindre la même quantité de chauffage avec moins de combustible. En particulier, les pellets utilisés dans les cuisinières à gaze constituent une alternative très efficace, bien que cette technologie commence à peine à prendre son essor en Afrique. Les entreprises rwandaises Inyenyeri et Emerging Cooking Solutions (EGS) de la Zambie sont parmi les premiers à investir dans cette technologie. Il existe d’autres solutions, telles que le gaz de pétrole liquéfié (GPL), même si certaines exigences en matière de chaîne d’approvisionnement sont nécessaires pour réussir.

Une révolution de la cuisine propre promet à la société plusieurs autres avantages non énergétiques.

Augmentation de la productivité des femmes et des enfants: Aujourd’hui, les femmes et les enfants sont chargés de manière disproportionnée de la collecte de combustible et, dans certains cas, parcourent de longues distances à la recherche de bois de chauffage. La transition vers des méthodes de cuisson modernes pourrait éliminer ce fardeau et libérer ainsi du temps pour des activités sociales et économiques plus productives parmi ces groupes vulnérables.

Des familles en meilleure santé: la Banque mondiale estime que la pollution atmosphérique des ménages provoque près de 600 000 décès par an en Afrique. L’utilisation de combustibles plus propres et de cuisinières mieux conçues, émettant moins de particules, réduira à son tour le nombre de maladies et de décès liés à la cuisson. Cela garantit des populations en meilleure santé et plus fortes pour alimenter le développement du continent.

Avantages économiques: La disponibilité de la matière première (bois) pour le charbon de bois diminue tandis que les populations à travers le continent augmentent. Les forces du marché dictent que cette réduction de l’offre et l’augmentation continue de la demande entraîneront une hausse des prix et une part plus importante des revenus des ménages affectés à l’achat de combustibles de cuisson. Déjà, le coût du charbon de bois dans de nombreux centres urbains augmente constamment en raison de l’épuisement des forêts avoisinantes et de la nécessité de le transporter de plus en plus loin. Il est donc nécessaire de proposer des alternatives de cuisson et de stimuler les investissements du secteur privé dans l’innovation afin de faire baisser les prix et ainsi de se prémunir contre de telles crises.

Politique et voie à suivre pour l’Afrique

Une bonne politique doit être complétée par un secteur privé engagé qui finance, promeut la concurrence, la qualité, identifie les lacunes dans la chaîne de valeur du secteur de la cuisson propre et s’efforce de les combler, ce qui le rend plus efficace (Alliance mondiale pour les foyers, GACC, 2019 ). Par exemple, plusieurs initiatives dans le secteur ont été ciblées pour augmenter l’offre d’options de cuisson plus propres. Cependant, l’accent n’a pas été mis suffisamment sur les solutions de distribution pour acheminer les produits vers les marchés et sur les mesures axées sur la demande pour promouvoir leur adoption. Il en résulte des petites entreprises qui tentent de prendre en compte tous ces éléments et de rendre leurs activités non rentables. Plutôt que de dupliquer les rôles, différents acteurs devraient se concentrer et développer leur créneau et se compléter pour favoriser le développement de cette industrie.

Alors que d’autres pays sont à la traîne, quelques pays d’Afrique ont fermement pris position contre les secteurs de la cuisson non durables. En 2018, le Kenya est devenu le premier pays à interdire l’utilisation du charbon de bois, car il ouvre la voie à un secteur dynamique du GPL. Cependant, bien que cela présente des avantages évidents pour le Kenya, cela a eu des conséquences inattendues, telles que des pressions accrues sur la couverture forestière de l’Ouganda en raison du commerce transfrontalier de charbon de bois avec le Kenya. Cela appelle à une vigilance accrue pour lutter contre le commerce illégal, mais surtout à la nécessité pour tous les pays de commencer à identifier des solutions durables pour leurs propres secteurs de cuisson.

Beaucoup de travail a été fait pour développer de nouvelles technologies de cuisson, mais les consommateurs africains en ont rejeté beaucoup, car elles ne correspondent pas aux cas d’utilisation culinaire uniques de ces sociétés. La nourriture et la cuisine sont au cœur du tissu social des pays africains et constituent une part importante de notre culture et de notre identité africaine. Il est donc important de fusionner l’innovation dans la conception technologique avec une compréhension des contextes locaux afin de présenter aux communautés des produits qui permettent la continuité d’une tradition de longue date. Cependant, développer de nouveaux produits ne suffit pas, si les mentalités ne sont pas changées, et si les individus ne sont pas guidés pour acquérir une compréhension et une appréciation personnelles du défi urgent que représente le changement climatique.

Les arbres offrent des avantages pour le refroidissement, la formation de précipitations, la structure du sol et la sécurité alimentaire et contribuent de manière décisive à la résilience des communautés africaines. En tant que continent qui devrait être durement touché par les effets dévastateurs du changement climatique, nous devrions nous efforcer de protéger notre couvert forestier et de reconstituer ce qui a déjà été perdu. Bien que la coupe d’arbres pour la cuisson du combustible ne soit pas la seule cause de la diminution du nombre d’arbres, c’est un contributeur majeur et l’éviter grâce aux nouvelles technologies de cuisson est un effort louable.

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Cleaner cooking and its role in Africa’s future

Introduction

For one family in Africa the impact of collecting twigs and cutting down trees for energy to cook may seem insignificant. But when over 3 billion people, many of whom live in Sub Saharan Africa, have no alternative cooking energy and continue to rely on wood everyday, the impact is massive.

The recent IPCC special report on Climate Change emphasised the need to simultaneously curb CO2 and short-lived non-CO2 emissions such as methane and black carbon if we are to limit global temperature rise to 1.5 C. This highlights the role of the clean cooking sector in the wider climate action conversation, as  25% of global black carbon comes from residential cooking and heating.

Transitioning away from traditional polluting and environmentally unfriendly fuels is also necessary to achieve SDG 7, and is thus a crucial step in Africa’s journey to sustainable development.

What are the existing clean cooking technologies?

Cooking in Africa is mainly done over 3-stone fires in rural areas, while the  majority of urban dwellers rely on traditional cookstoves fueled by charcoal. These methods suffer several inefficiencies, hence providing opportunities for improvement. Clean cooking technologies seek to address these challenges at different points of the value chain, as discussed briefly below:

a) More efficient conversion technologies

Biomass conversion to fuel: Charcoal is one of the most popular fuels in urban centres in Africa. In its most common form, charcoal is a black carbon produced by heating wood in the absence of oxygen through a process called slow pyrolysis. Traditional charcoal kilns are highly inefficient, producing 100-150kg of charcoal for every tonne of wood. By converting to modern kilns that reach efficiencies of up to 40%, it is possible to achieve savings of 2-4 times on wood use and hence tree felling.

Fuel conversion to heat: Traditional cook stoves made from poor quality materials are highly inefficient, and waste a lot of the heat produced. Improved cook stoves utilize the same principles as traditional cook stoves but leverage better design and higher quality materials to maximize heat retention and air flow. In the long run, these save on fuel and so reduce pressure on fuel sources, as well as household spending on fuel.

b) Alternative cooking fuels (USAID, 2017)

Compressed biomass like briquettes and pellets, have a higher energy density than uncompressed biomass (e.g. charcoal) and thus can achieve the same amount of heating with less fuel. In particular, pellets used in gasifier stoves are a highly efficient alternative although this technology is only starting to take off in Africa. Rwanda’s Inyenyeri and Zambia’s Emerging Cooking Solutions (EGS) are among the first to invest in the technology. Other alternatives such as Liquefied Petroleum Gas (LPG) exist although these have a number of supply chain requirements to be successful.

A clean cooking revolution promises several other non-energy benefits to society.

Increased productivity among women and children: Today, women and children are disproportionately tasked with fuel collection, and in some cases, walk long distances in search of firewood. Transitioning to modern cooking methods might eliminate this burden and thus free up time for more productive social and economic activities among these vulnerable groups.

Healthier families: The World Bank estimates that household air pollution causes almost 600,000 deaths annually in Africa. Use of cleaner fuels and better designed cook stoves which emit fewer particulates will in turn reduce the number of cooking-related pollution illnesses and deaths. This ensures healthier and stronger populations to fuel the development of the continent.

Economic benefits: The availability of feedstock (wood) for charcoal is diminishing while populations across the continent rise. Market forces dictate that this reduction in supply and continued increase in demand will result in rising prices, and a larger share of household incomes allocated to the purchase of cooking fuels. Already, we see the cost of charcoal in many urban centres steadily rising due to the depletion of nearby forests, and the need to transport it from further away. Providing cooking alternatives and stimulating private sector investment in innovation to drive down prices is therefore necessary to safeguard against such fuel crises.

Policy and way forward for Africa

Good policy must be complemented by an engaged private sector which provides finance, promotes competition, quality, identifies gaps in the value chain of the clean cooking sector and works to close them, hence making it more efficient (Global Alliance for Cookstoves, GACC, 2019). For example, several initiatives in the sector have been targeted at increasing supply of cleaner cooking options. However, not enough emphasis has been put on distribution solutions to get the products to markets, and demand side measures to promote uptake. What has resulted from this are small companies trying to address all these elements, and making business unprofitable. Rather than duplicate roles, different actors should focus on and develop their niche and complement each other to further the development of this industry.

While other countries lag behind, a few countries in Africa have taken a strong stand against unsustainable cooking sectors. In 2018, Kenya became the first country to ban the use of charcoal – as it paves the way for a vibrant LPG sector. However, while this has obvious benefits for Kenya, it carried unintended consequences, such as increased pressure on Uganda’s tree cover due to cross border charcoal trade with Kenya. This calls for increased vigilance to curb illegal trade but more so, the need for all countries to begin to identify sustainable solutions for their own cooking sectors.

A lot of work has been done in developing new cooking technologies, but African consumers have rejected many of them because they do not fit the unique cooking use cases of these societies. Food and cooking are central to the social fabric of African countries, and make up a large part of our culture and how we identify as Africans. It is therefore important to merge innovation in technology design, with an understanding of local contexts in order to present communities with products that enable the continuity of long developed tradition. However, developing new products alone is not sufficient if mindsets are not changed, and individuals not guided to gain a personal understanding and appreciation of the urgent challenge of climate change.

Trees provide benefits for cooling, rainfall formation, soil structure and food security and are a critical contributor to the resilience of African communities. As a continent expected to be hit hard by the devastating impacts of climate change, we should strive to protect our forest cover and replenish what has already been lost. While tree cutting for cooking fuel is not the only cause of diminishing tree count, it is a major contributor and averting this through new cooking technologies is a worthwhile endeavour.

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Off-grid, Mini-grid and On-grid Solar PV Solutions in Africa: Opportunities and Challenges

Energy access is one of the biggest development challenges in Africa today making it a natural priority for the African Development Bank’s High-5 strategic plan. 23 of the 28 poorest countries in the world are in Africa, and yet at the same time, African countries make up 6 of the 10 fastest growing economies as of 2018. Energy – as a driver of economic and social development – has the potential to both address extreme poverty, and accelerate the ongoing economic development.

One technology that continues to revolutionize energy the world over is photovoltaic solar. In sub-Saharan Africa, solar PV alone is projected to contribute over 4% to total generation by 2040. Photovoltaic systems convert the sun’s energy into direct current (DC) electricity. This form of energy can be used directly to power DC appliances or converted into AC electricity to feed AC grids and AC appliances.

Africa has unparalleled potential for maximizing solar as a resource, with most parts experiencing energy levels exceeding 2000 kWh/m2/year. In addition to this, cost limitations continue to become less of a hindrance , as the price of solar systems drops due to a combination of factors ranging from technological progress, and an increase in manufacturing capacity – particularly in China. In 2017, the global average Levelized Cost of Energy (LCOE) for grid-scale solar PV was estimated at 100USD/MWh – a 73% reduction compared to costs in 2010 – with the cost dropping as low as 30 USD/MWh in some cases.

 

Figure 1: Africa solar resource map [Source: https://solargis.com/maps-and-gis-data/download/sub-saharan-africa/]

 

Africa is a continent of stark contrasts. Sprawling cities exist alongside extremely underdeveloped rural areas, and even in urban areas slum conditions and informal settlements persist. The reality of such differences in geography and demographics warrants a differentiation in energy access approaches.

While the traditional route to energy access has been grid extension, alternatives such as mini-grid and off-grid systems are becoming more popular as they are better suited in some cases. . This article examines the various  applications of on-grid, mini-grid, and off-grid solar PV; including the existing challenges and opportunities.

On-grid systems

Project examples: Jasper, 96MW (South Africa); Gomoa Onyandze, 20MW (Ghana); Soroti 10MW (Uganda)

These are large PV solar farms that have been set up to generate electricity which is fed directly into the national grid. A major consideration for these is location, as investors seek to maximize power generation through optimal siting. Such projects also incur costs to set up the transmission infrastructure to evacuate the power generated, although, in many countries, this has been taken up by the national transmission company as a way of incentivizing investment in the technology. These types of investments are also incentivized through feed-in tariffs, which guarantee the return for each unit of power evacuated from the solar generation plant, hence lowering the risk of investment. Grid-scale production requires that the electricity generated be compatible to the existing grid standards. This includes among other, conversion to AC and managing the frequency to sync with the national system.

Challenges: Due to the plummeting cost of solar PV, the LCOE of solar installations is one of the lowest in Africa, making it an obvious choice for investors. However, where countries demand higher reliability and 24-hour supply, solar PV at grid scale ceases to be as economically viable as before as additional investment must be made into back up systems such as storage (batteries), and generators (including diesel).

Considerations: Solar PV has a significant land footprint. Vast amounts of land must be put aside for large grid-scale farms. This is an important consideration within the overarching issue of sustainability as land is a key resource, particularly with the projections in population growth. Land constrained countries should therefore carefully weigh the pros and cons before undertaking such projects. Alternatively, several countries are coming up with innovative ways to co-use the land on which solar farms are built for other activities such as agriculture, among others.

The need for backup power whether through battery storage or alternative sources of electricity must also be considered in terms of cost, and sustainability to ensure that the overall system investment remains viable both financially and environmentally.

Other factors to consider are the overall system stability, and cost of system balancing as the level of intermittent capacity such as solar grows. Countries should ,therefore, carry out detailed system studies on such issues, to avoid unintended disturbances and incurred costs in the future.

Mini-grid systems

Solar is a popular choice for mini-grid systems in Africa due to its relatively low cost, and the abundant resource. Investment in mini-grids in Africa must take into account a number of considerations as described in detail, here. Solar mini-grids, work best where the load can be matched to the availability of solar energy -through businesses that operate during high sun hours,  such as millers. With this kind of arrangement, the solar power generated can all be sold during the day, with small back up generators carrying the smaller night-time load.

Challenges: In short, the intermittent nature of solar  means that some sort of backup must be available to meet the demand in times when the sun is not available. Considerations: Mini-grids running on solar work best where the corresponding load that they serve peaks during the day – when much of what is produced can be evacuated. Therefore operators of these systems must  invest in incentivizing activities that result in this type of favorable load profile.

There are advantages to combining solar in hybrid systems with other forms of energy, including diesel, to lower the cost of power in mini grid applications. An Impact 4 Energy study (2018) concluded  that hybrid systems with PV, batteries, and diesel consistently exhibited lower prices across different load profiles.

Off-grid/stand-alone systems

Project examples: MKopa, Fenix International, Azuri, d.light, Mobisol, BBOX (East Africa); PEG Africa, Lumos, Azuri (West Africa); Kingo Energy (South Africa)

Off-grid solar systems are applicable for energy access across different geographies and economic classes. These systems usually consist of a solar panel, battery and various DC appliances; meeting a number of energy needs such as lighting (bulbs and torches), entertainment (radios and TVs) and phone charging.

In rural areas, off-grid systems provide a timely intervention to meeting energy needs, rather than wait on lengthy timelines to deliver on-grid or mini-grid projects. A major barrier for the uptake of stand-alone systems was the high cost. In many African countries, this problem is being addressed by the ingenuity of pay-as-you-go models which allow for system payments in small and manageable installments. However, even despite the high cost of stand-alone solar both rural and urban customers can benefit from the long run savings. These systems provide an alternative to the high connection costs, high electricity tariffs, and in many cases low reliability synonymous with grid-connected electricity.

Challenges: Maintenance is a key issue when it comes to these systems because they are individually used and managed by their owners. To maximize parameters such as battery life and panel efficiency, users must be trained in their maintenance and best practice. For example, avoiding repeated complete discharge of the battery and wiping dust from the panels are necessary to get the most out of stand-alone systems.

Considerations: As off-grid home systems continue to grow in popularity, a major area of focus should be on quality, training and customer service, to ensure that customers get highest returns on their investment. Additionally,, the future of the pay-as-you-go model success is strongly linked to the growth of mobile money payments. The highest growth of this financing model has been seen in East Africa, which has well developed mobile frameworks – although recent taxes levied in Uganda threaten the continued use of the service.

Overarching considerations

Solar energy has the potential to deliver significant savings and hence improve the quality of life at household level, but this would require a mindset change from the traditional alternative energy sources. Some studies have shown that solar energy systems are linked to increases in disposable income, when they replace alternatives such as kerosene and in some cases diesel generators. Similarly, the cost of travelling long distances to charge phones is overcome by easily accessible solar chargers, which both serve a need, and provide a business  opportunity for their owners.

To further lower the cost of solar energy to end users, governments and regulators have a lot to do in terms of incentivizing investment and uptake. This could be done through setting feed-in tariffs to de-risk investments, and permitting tax holidays and tax exemptions. In Kenya, tax exemptions on solar imports led to  a $3 drop in the price of solar lamps, resulting in a rise in uptake from 37% to 69%.

On the demand side, governments have the ability to encourage or stifle uptake of these through their approach to supporting sectors – such as the telecom industry, and in particular mobile money operators. Some of these indirect actors play a significant role in the eventual performance of solar investments.

Quality remains a major factor in the attitude of Africans towards solar systems. Regulators, therefore, have a critical role to play in managing quality assurance, through enforcing minimum standards and specifications for all equipment.

Ultimately solar PV holds great promise for meeting energy access targets in Africa. The continent’s abundant resource, coupled with ever falling prices make this technology attractive for implementation. However, solar PV is not without  its own unique c challenges, particularly around i intermittency and the high land footprint. These must be considered when designing projects, especially at grid-scale. Mini- and off-grid applications offer ready alternatives especially for rural communities which are not likely to be connected to the main grid in the near future. In these applications, the nature of the load, as well as awareness on best practice to prolong the life of components, and thus maximize the benefits of the system are critical considerations.

 

Amanda Kahunzire,

Communications Associate, ISNAD-Africa