انخفضت تكلفة الطاقة الشمسية بشكل كبير خلال العقد الماضي، ما يجعلها أرخص مصدر للكهرباء في معظم أنحاء العالم حالياً. من الواضح أن هذا يمكن أن يعني طاقة أرخص. ولكن هذا يعني أيضاً أنه يمكننا تثبيت الألواح في الأماكن التي قد تكون باهظة الثمن ولا تزال تنتج الطاقة بشكل مربح.
أحد الخيارات الأكثر إثارة للاهتمام هو وضع الألواح فوق المسطحات المائية الاصطناعية، وتركيبها بطريقة عائمة أو معلقة على الكابلات. رغم أن هذه الطريقة أكثر تكلفة من التركيبات الأرضية، فإنها تخلق ربحاً للطرفين: حيث تحد الألواح من تبخر الماء، ويبرد الماء الألواح، مما يسمح لها بالعمل بكفاءة أكبر في المناخات الدافئة.
بينما تم فحص إمكانات الطاقة الشمسية العائمة في عدد من الأماكن، قامت مجموعة من الباحثين الآن بإجراء تحليل عالمي ووجدوا أنها تحتاج لإمكانيات ضخمة. حتى لو قصرنا التركيبات على جزء صغير من سطح الخزانات الحالية، يمكن أن تولد الألواح العائمة ما يقرب من 10000 تيراواط/ ساعة سنوياً، مع الحفاظ على أكثر من 100 كيلومتر مكعب من المياه من التبخر.
الانطلاق إلى العالمية
يقر الفريق الدولي من الباحثين الذين يقفون وراء العمل الجديد بأنهم بعيدون عن كونهم أول من يبحث في إمكانات الطاقة الشمسية العائمة. لكن معظم التحليلات السابقة اقتصرت على بلد واحد أو نظام واحد من الخزانات. العمل الجديد مميز لأنه ينتقل إلى العالمية ويستخدم أنموذجاً حديثاً لأداء الخلايا الكهروضوئية في ظروف بيئية مختلفة، حيث تم تطويره بواسطة مختبر سانديا الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية. حصل الفريق أيضاً على بيانات حول درجات الحرارة والإشعاع الشمسي وسرعة الرياح على مدى عقدين من نظامين مختلفين للأقمار الصناعية لرصد الأرض.
لاحظ الباحثون أن الألواح الشمسية العائمة على الخزانات لها عدد من المزايا إلى جانب تبريد الألواح وتقليل فقد المياه. الأول هو أنك لا تضحي بالأرض غير المعدلة من أجل تغطيتها بألواح، نظراً لأن البشرية قد غمرت بالفعل الأرض المعنية. في حين أن الألواح ستمنع الضوء من الوصول إلى الماء ويمكن أن تسبب مشاكل لأي نظام بيئي نشأ هناك، يمكن أن تساعد أيضاً في الحد من تكاثر الطحالب الضارة في إمدادات المياه.
ميزة أخرى هي أن العديد من الخزانات قريبة من كل من المراكز السكانية المتعطشة للطاقة والشبكات التي تخدمها، مما يسهل الاستفادة من الطاقة المتولدة هناك. أخيراً ترتبط الكثير من الخزانات بأنظمة الطاقة الكهرومائية، ويمكن إدارة مصدري الطاقة كوحدة واحدة للحفاظ على مستوى ثابت من الإنتاج على مدار الساعة وفي جميع الظروف الجوية.
للمساعدة في الحفاظ على النظم البيئية في الخزان واستخدام الخزانات للتبريد، حدد الباحثون المساحة التي ستغطيها الألواح بحد أقصى 30 بالمائة من سطحها أو 30 كيلومتراً مربعاً، أيهما أقل (حد 30/30) .
الشعور بالقوة
على الصعيد العالمي، تبلغ كمية الكهرباء التي يمكن إنتاجها حوالي 9400 تيراواط/ ساعة كل عام. للمقارنة، يبلغ استخدام الكهرباء العالمي حوالي 22800 تيراواط/ ساعة، مما يعني أن الطاقة الشمسية العائمة يمكن أن توفر أكثر من 40 في المائة من احتياجات الكهرباء في العالم. سيظل الحد من تغطية أسطح الخزان بنسبة 10 في المائة - وهو قطع مهم جداً - يسمح بإنتاج 4300 تيراواط/ ساعة.
من الواضح أن هذه الإمكانات ليست موزعة بالتساوي، حيث تحصل بلدان مثل كندا ودول الشمال على قدر أقل من التعرض لأشعة الشمس للاستفادة منها. سيكون الفائز الأكبر في الطاقة الشمسية العائمة هو الولايات المتحدة، التي لديها القدرة على إنتاج 1900 تيراواط/ ساعة في ظل قيود الـ 30/30. تستخدم الولايات المتحدة حوالي 3900 تيراواط ساعة سنوياً، بحيث يكون هذا أقل بقليل من نصف استهلاكها من الكهرباء. اعتباراً من العام الماضي، وفرت مصادر الطاقة المتجددة والنووية الحالية حوالي 40 في المائة من مزيج الطاقة لدينا، لذلك سيقطع هذا شوطاً طويلاً نحو إزالة الكربون من الشبكة إذا تمكنا من إدارة التخزين المطلوب.
بالترتيب، فإن بقية الدول العشر الأولى من حيث إمكانات الطاقة الشمسية العائمة هي الصين والبرازيل والهند وكندا وروسيا والمكسيك وأستراليا وتركيا وجنوب أفريقيا. من الواضح أن تلك القائمة تحتوي على عدد من البلدان التي ستحتاج إلى بذل الكثير من الجهد لإزالة الكربون. وحتى الآن ثلاثة منهم فقط (البرازيل والصين والهند) لديها أي طاقة شمسية عائمة كبيرة.
يقدر الباحثون أيضاً أن هناك 40 دولة يمكنها تلبية إجمالي احتياجاتها الحالية من الطاقة بالكامل من خلال الطاقة الشمسية العائمة، على الرغم من أن التخزين لا يزال يمثل مشكلة. في حين أن العديد من هذه الدول صغيرة ولديها اقتصادات لا تزال في طور النمو، فإن القائمة تشمل بشكل خاص البرازيل، مع اقتصاد كبير وطلب هائل على الطاقة. يشير التحليل أيضاً إلى أن هناك حوالي 150 مدينة يزيد عدد سكانها عن مليون نسمة يمكنها تلبية الطلب على الكهرباء بالكامل من خلال الطاقة الشمسية الموضوعة في الخزانات القريبة.
التغلب على الحرارة
عندما يتعلق الأمر بتوفير المياه، سيكون للألواح تأثير أكبر بكثير من تغطيتها البالغة 30 بالمائة. هذا لأنها تعمل عن طريق خفض درجة حرارة الماء، بدلاً من مجرد حجب أشعة الشمس. نتيجة لذلك، سوف ينخفض التبخر بنحو 45 بالمائة. بشكل عام، يضيف التبخر المنخفض ما يقرب من 100 كيلومتر مكعب من المياه سنوياً، والتي يقول المؤلفون إنها كافية لتلبية احتياجات حوالي 300 مليون شخص. وهم يستشهدون على وجه التحديد بالدول ذات الكثافة السكانية العالية وندرة المياه التي يمكن أن تستفيد من هذا الوفر الكبير مثل مصر وجنوب أفريقيا. ويقدرون أن الأخيرة يمكن أن تولد 144 من استهلاكها السنوي للكهرباء البالغ 205 تيراواط/ ساعة عن طريق الطاقة الشمسية العائمة وتجنب فقدان 1.6 كيلومتر مكعب من الماء في التبخر في الوقت نفسه.
مرة أخرى يكمن التحدي الأكبر أن كل هذا سيكون أكثر تكلفة من مجرد تركيب الألواح على الأرض، حيث أدت سنوات الخبرة إلى تقليص الكثير من تكلفة بناء محطات الطاقة الشمسية. ولدينا أيضاً مقايضة في الكفاءة هنا. حيث تعمل جميع الألواح الأرضية الحالية تقريباً على تعزيز إنتاجها من خلال تتبع الشمس أثناء تحركها عبر السماء. سيكون القيام بذلك أصعب بكثير في النظام العائم، ومن المرجح أن تؤدي إمالة الألواح إلى حدوث تبخر كبير.
ستتم موازنة هذه التكاليف الإضافية مع الأشياء التي يصعب قياسها، مثل ضمان إمدادات مياه كافية لمجموعة متنوعة من المستخدمين والحد من تطوير الأراضي غير المأهولة سابقاً. كما يجب أيضاً تسوية التكاليف والشكوك لجعل الطاقة الشمسية العائمة أكثر من مجرد خطأ تقريبي - على الصعيد العالمي، لا يُتوقع إزالة 5 جيجاوات من السعة المثبتة قبل عام 2027. ومن المرجح أن تقوم الولايات المتحدة بتنشيط ما يقرب من ستة أضعاف هذه السعة هذا العام وحده.
----